Beneficios Técnicos, Económicos y Ambientales que ofrece la Automatización de Tratamientos Químicos a las aguas Industriales
Descripción
BENEFICIOS TECNICOS, ECONOMICOS Y AMBIENTALES QUE OFRECE LA AUTOMATIZACION DEL TRATAMIENTO QUIMICO APLICADO A LAS AGUAS INDUSTRIALES.
Trabajo de grado presentado a la ilustre Universidad Central de Venezuela para optar al título de Especialista en Instrumentación
Ing. Elias Chirico
Caracas, Noviembre de 2002
RESUMEN En el contexto de las nuevas tendencias de la gestión empresarial, se viene planteando que la automatización de los procesos, especialmente en el área de servicios, puede resultar una opción interesante para el mejoramiento del desempeño ambiental de la empresa. En la medida que se minimicen las pérdidas de productos químicos requeridos para el acondicionamiento de las aguas para consumo industrial y líquidos residuales, las ineficiencias en el tratamiento y los requerimientos de mantenimiento correctivo, entre otros, se logrará un mejor aprovechamiento de los recursos materiales y económicos, lo cual sin duda incidirá en beneficios para la empresa y el ambiente. Las empresas que ofrecen asistencia a las industrias para el acondicionamiento de aguas para uso industrial y tratamiento de líquidos residuales están concientes de la oportunidad de negocio que representa lo planteado anteriormente, sin embargo requieren argumentos objetivos que les permitan plantear los beneficios que la automatización ofrece en esta área, para superar el rechazo natural de sus clientes cuando se les plantea el monto de las inversiones requeridas. Atendiendo a esta necesidad, en el presente estudio se diseñó e implantó un sistema de automatización para la dosificación de sustancias químicas requeridas en el tratamiento del agua de la Torre de Enfriamiento I 105 C ubicada en la Planta de Fertilizantes de PEQUIVEN S.A., Morón, Estado Carabobo y para el tratamiento de las aguas residuales producidas en la Refinería El Palito, El Palito, Edo Carabobo a través de unidades de remoción de sólidos por flotación con aire disuelto (DAF). El seguimiento exhaustivo de la operación de los procesos antes y después de la instalación del sistema de automatización desarrollado para cada caso, permitió cuantificar las implicaciones técnicas, económicas y ambientales de la implantación de los sistemas de automatización y control propuestos. Ello permitió obtener evidencias concretas de los beneficios que una decisión de esta naturaleza conlleva, los cuales se resumen en:
Beneficio Reducción del consumo de sustancias químicas requeridas para el tratamiento de las aguas Confiabilidad en el control de los parámetros más significativos en el agua tratada
Torre de Enfriamiento
Planta de Efluentes
Entre 10% y 56% (en promedio 20%)
59%
< 5 MPY* el 100% del tiempo
< 20 ppm de COT** el 85% del tiempo
26% (Pasó de US$ 377.124 anuales a US$ 280.382 anuales)
56% (Pasó de US$ 126.568 anuales a US$ 55.368 anuales)
US$ 76.000 10 meses
US$ 15.130 4 meses
114% US$ 106.488
472% US$ 112.490
60%
No aplica
60%
No aplica
Reducción de sustancias químicas vertidas al medio ambiente.
22.260 Kilos / Año (Pasó de Kg. 115.164 anuales a Kg. 92.904 anuales)
15.600 Kilos / año (Pasó de Kg. 26.604 anuales a Kg. 11.004 anuales)
Reducción de contaminantes con hidrocarburos vertidos al medio ambiente
No aplica
85%
Reducción en el costo del tratamiento químico Inversión en el sistema de automatización y tiempo de recuperación TIR @ 20% en 3 años VPN @ 20% en 3 años Reducción de la utilización de los recursos naturales, en este caso el agua. Reducción de las descargas de aguas contaminadas con sustancias químicas.
* Milésimas de Pulgadas por Año. ** Contenido Orgánico Total. Los resultados obtenidos permiten afirmar que los sistemas de automatización diseñados e instalados operaron satisfactoriamente, al menos durante el período de observación para la ejecución del presente estudio. El análisis del desempeño de tales sistemas permitió identificar beneficios tangibles e intangibles desde su puesta en marcha en lo técnico, económico y ambiental, confirmando así la importancia de incorporar la automatización en el área de servicios industriales para mejorar el desempeño ambiental de las empresas.
IN D IC E INTRODUCCIÓN
12
CAPÍTULO I
15
Marco teórico
15
I.1.
Nuevos planteamientos en la gestión empresarial con relación al tema ambiental.
16
Estrategia para la cuantificación del impacto de los sistemas de control en el desempeño de los procesos productivos.
19
I.3.
Sistemas de control de procesos.
21
I.4.
Técnicas de entonación de lazos cerrados.
34
I.5.
Control Estadístico de Proceso (SPC).
35
I.6.
Aspectos Técnicos de los Sistemas Seleccionados para el Estudio.
36
I.6.1.
Sistema de Enfriamiento de Recirculación Abierta:
37
I.6.2.
Principales problemas y su solución en los sistemas de enfriamiento.
43
Separación de sólidos por Flotación con Aire Disuelto - DAF (Dissolved Air Flotation)
45
Variables a Controlar en la Separación de Sólidos con Aire Disuelto
48
I.2.
I.6.3. I.6.4. CAPÍTULO II
50
Metodología
50
CAPÍTULO III
53
Presentación de los Resultados
53
III.1. Diseño e Implantación del Sistema de Automatización para el Control de la Torre de Enfriamiento I 105 C - Área de Servicios Industriales de la Planta Pequiven Morón (Servifertil).
53
III.1.1.
Descripción General del Sistema
53
III.1.2.
Parámetros de Registro y/o Control Seleccionados.
58
III.1.3.
Alcances del Sistema de Control Desarrollado
61
III.1.4.
Lógicas de Control para la Dosificación de Sustancias Químicas para el Acondicionamiento del agua de la Torre de Enfriamiento I 105 C
62
III.1.5. III.1.6.
Costos del Sistema de Automatización Planteado y del Tratamiento Químico
68
Cuantificación y Evaluación de las implicaciones Técnicas, Económicas y Ambientales derivadas de la Automatización Planteada
71
III.2. Diseño e Implantación del Sistema de Automatización para el Control de la Planta de Efluentes - Área de Servicios Industriales de la Refinería El Palito Estado Carabobo.
96
III.2.1.
Descripción General del Sistema
III.2.2.
Parámetros de Registro y/o Control Seleccionados
100
III.2.3.
Sistema de Control Desarrollado.
101
III.2.4.
Costos del Sistema de Automatización Planteado y del Tratamiento Químico
104
Cuantificación y Evaluación de las implicaciones Técnicas, Económicas y Ambientales derivadas de la Automatización Planteada en la Planta de Efluentes Refinería El Palito, Estado Carabobo
108
III.2.5.
98
III.3. Beneficios Intangibles de los Sistemas de Automatización Implantados
118
CONCLUSIONES
120
RECOMENDACIONES
122
REFERENCIAS
123
INDICE DE TABLAS Tabla 1.1.
33
Acción de Control Recomendada de Acuerdo a las Características del Proceso
33
Tabla 1.2
40
Parámetros Involucrados en la Operación de Torres de Enfriamiento
40
Tabla 1.3.
42
Relación entre Ciclos de Concentración, Agua de Aportación y Purga Continua (Suponiendo tasa de evaporación constante).
42
Tabla 1.4.
44
Variables Controladas en el Agua de los Sistemas de Enfriamiento.
44
Tabla 1.5.
45
Sustancias Químicas (Principios Activos) más Utilizadas en el Acondicionamiento de Aguas para Sistemas de Enfriamiento
45
Tabla 3.1.
57
Tipos de Sustancias Químicas Utilizadas en el Tratamiento del Agua de la Torre de Enfriamiento I 105 C. Cantidades Requeridas y Forma de Dosificación.
57
Tabla 3.2.
60
Parámetros que Requieren Registro y/o Control en la Torre de Enfriamiento I 105 C
60
Tabla 3.3.
67
Carácteristicas de los Instrumentos Seleccionado para la Automatización de la Dosificación de Sustanias Químicas en la Torre de Enfriamiento I 105 C
67
Tabla 3.4.
70
Costos Detallados del Proyecto de Automatización de la Torre de Enfriamiento I 105C.
70
Tabla 3.5.
71
Costos por Concepto de Consumo de Sustancias Químicas para el Tratamiento del Agua de la Torre de Enfriamiento I 105C previo a la Implantación del Sistema de Automatización Planteado y del Tratamiento Químico.
71
Tabla 3.6.
85
Variaciones del Consumo de Sustancias Químicas Aplicadas en el Tratamiento del Agua en la Torre de Enfriamiento I 105 C y de los Costos Asociados
85
Tabla 3.7.
94
Impacto de los costos y consumos antes y después de la automatización de la Torre de Enfriamiento I 105C.
94
Tabla 3.8.
95
Flujo de caja para el proyecto de automatización de la Torre de Enfriamiento I 105C.
95
Tabla 3.9.
107
Costos Detallados del Proyecto de Automatización de la Planta de Efluentes.
107
Tabla 3.10.
108
Costos por Concepto de Consumo de Sustancias Químicas para el Tratamiento del Agua de la Planta de Efluentes previo a la Implantación del Sistema de Automatización Planteado y del Tratamiento Químico.
108
Tabla 3.11.
114
Eficiencia de la Planta de Efluentes antes y después de la automatización.
114
Tabla 3.12.
117
Impacto de los Consumos y Costos del Tratamiento Antes y Después de la Automatización.
117
Tabla 3.13.
118
Flujo de Caja para el Proyecto de Automatización de la Planta de Efluentes.
118
INDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Función del bloque de control.
23
Figura 1.2. Diagrama de Bloques del Lazo de Control Abierto.
24
Figura 1.3. Diagrama de bloques del Lazo de Control Cerrado.
24
Figura 1.4. Diagrama de Bloques de la Acción de Control TODO o NADA.
26
Figura 1.5. Diagrama de bloques de la Acción de Control Proporcional.
27
Figura 1.6. Esquema de un Sistema de Enfriamiento de Recirculación Abierta.
38
Figura 1.7. Efecto de la purga continua en la Torre de Enfriamiento.
38
Figura 1.8. Torre de Enfriamiento. Balance de Masas.
39
Figura 1.9. Flujo de Agua de Aportación versus Número de Ciclos de Concentración
43
Figura 1.10. Diferentes tipos de equipos de separación de Sólidos - líquidos.
46
Figura 1.11. Sistema de Flotación por Aire Disuelto sin Recirculación.
48
Figura 1.12. Sistema de Flotación por Aire Disuelto con Recirculación
49
Figura 3.1. DTI Torre de Enfriamiento I 105 C sin Tratamiento Químico Automatizado.
55
Figura 3.2. DTI Torre de Enfriamiento I 105 C con Tratamiento Químico Automatizado.
69
Figura 3.3. Arquitectura del Sistema de Control para La Torre de Enfriamiento I 105 C.
72
Figura 3.4. DTI de la Planta de Efluente sin Automatización.
99
Figura 3.5. DTI Planta de Efluentes con Automatización.
105
Figura 3.6. Arquitectura del sistema de control de la Planta de Efluentes.
106
INDICE DE GRAFICAS Gráfica 1.1. Acción de control TODO o NADA.
27
Gráfica 1.2. Ejemplo de Acción de Control Proporcional.
29
Gráfica 1.3. Acción de Control Proporcional Integrativo.
30
Gráfica 1.4. Acción de Control PID con sus componentes P y PI.
32
Gráfica 1.5. Curva de reacción del Proceso.
35
Gráfica 1.6. Ejemplo de Gráfica para el Control Estadístico de la Variable.
36
Gráfica 3.1. Comportamiento de la Condcutividad Específica del Agua de Aportación (Planta de Agua Potable I 106)
74
Gráfica 3.2. Comportamiento de las Características Corrosivas del Agua de Aportación (Planta de Agua Potable I 106)
74
Gráfica 3.3. Comportamiento de la Conductividad Específica del Agua en la Torre de Enfriamiento I 105C.
75
Gráfica 3.4. Histograma de Frecuencia – Conductividad Específica del Agua en la Torre de Enfriamiento I 105C.
77
Gráfica 3.5. Comportamiento del pH en el Agua de la Torre de Enfriamiento I 105C.
79
Gráfica 3.6. Histograma de Frecuencia – pH en el Agua de la Torre de Enfriamiento I 105C.
79
Gráfica 3.7. Comportamiento de la Variable Residual Agente Dispersante de Sólidos Supendidos en el Agua de la Torre
81
Gráfica 3.8. Histograma de Frecuencia - Residual del Agente Dispersante de Sólidos Supendidos en el agua de la Torre.
81
Gráfica 3.9. Comportamiento del Residual del Inhibidor de Corrosión e Incristación en el Agua de la Torre de Enfriamiento
82
Gráfica 3.10. Histograma de Frecuencia - Residual de Inhibidor de Corrosión e Incristación en el Agua de la Torre de Enfriamiento
83
Gráfica 3.11. Comportamiento de las Características Corrosivas e Incrustantes del Agua de la Torre de Enfriamiento
84
Gráfica 3.12. Variación del Consumo y Costo Mensual del Producto Inhibidor de Corrosión e Iincristaciones
87
Gráfica 3.13. Tendencias en el Consumo y Costo Mensual del Producto Inhibidor de Corrosión e Incrustaciones
87
Gráfica 3.14. Variación del Consumo y Costo Mensual del Producto Dispersante de Sólidos Supendidos.
88
Gráfica 3.15. Tendencia en el Consumo y Costos del Producto Dispersante de Sólidos Suspendidos.
88
Gráfica 3.16. Variación del Consumo y Costos del Producto Dióxido de Cloro.
90
Gráfica 3.17. Tendencia del consumo y costos del producto generador de dióxido de cloro.
90
Gráfica 3.18. Variación del Consumo y Costos del producto Microbicida.
91
Gráfica 3.19. Tendencia del consumo y costos del producto Microbicida.
91
Gráfica 3.20. Variación del Consumo y Costos del producto dispersante orgánico.
92
Gráfica 3.21. Tendencia del consumo y costos del producto dispersante orgánico.
92
Gráfica 3.22. Consumo de agua de aportación y descargas a través de la línea de purga continua.
97
Gráfica 3.23. Ciclos de concentración de la Torre de Enfriamiento I 105C.
97
Gráfica 3.24. Representación gráfica del lazo de control del Polímero en La Planta de Efluentes.
103
Gráfica 3.25. Hidrocarburos entrando al DAF 54.
110
Gráfica 3.26. Hidrocarburos entrando al DAF 55.
110
Gráfica 3.27. Hidrocarburos entrando al DAF 56.
111
Gráfica 3.28. Hidrocarburos saliendo del DAF 54.
111
Gráfica 3.29. Hidrocarburos saliendo del DAF 55.
112
Gráfica 3.30. Hidrocarburos saliendo del DAF 56.
112
Gráfica 3.31. Comportamiento de los hidrocarburos saliendo del DAF 54.
113
Gráfica 3.32. Comportamiento de los hidrocarburos saliendo del DAF 55.
113
Gráfica 3.33. Comportamiento de los hidrocarburos saliendo del DAF 56.
114
Gráfica 3.34. Variación de los costos y consumos del polimero.
116
Gráfica 3.35. Tenencia de los costos y consumos del polimero.
116
Introducción
Los sistemas de automatización, por lo regular, permiten lograr un control más eficiente de los procesos, incrementando la producción, reduciendo tanto el consumo de recursos requeridos como los desechos generados, bajando los costos y mejorando la calidad del producto final. Sin embargo, antes de iniciar un cambio tan significativo en la empresa, se deben tomar en cuenta algunas consideraciones como son: beneficios económicos (costo de la inversión y su periodo de retorno, valores presentes o futuros, tasa interna de retorno, etc.), beneficios técnicos y actualmente los beneficios para el ambiente; todo ello para justificar el proyecto de automatización ante directivos, jefes e incluso, ante clientes. Cuando se presentan propuestas de automatización en alguna fase del proceso productivo propiamente dicho, resulta relativamente fácil demostrar los beneficios señalados anteriormente. No obstante, si el planteamiento se realiza para las instalaciones de servicio tales como suministro de agua de procesos o tratamiento de efluentes industriales, la situación es diferente, pudiéndose atribuir, entre otros, a la poca importancia que tradicionalmente se le da al área de servicios como parte integral del sistema productivo, así como a los beneficios económicos y ambientales asociados al uso racional de los recursos naturales –especialmente el hídrico- y al control de la contaminación de estos recursos. La incorporación de la variable ambiental en las estrategias de gestión empresarial han venido introduciendo nuevos enfoques donde la automatización de procesos, especialmente en el área de servicios, puede resultar una opción interesante para el mejoramiento del desempeño ambiental de la empresa. En la medida que se minimicen las pérdidas de productos químicos requeridos para el acondicionamiento de las aguas para consumo y líquido residuales, las ineficiencias en el tratamiento y los requerimientos de mantenimiento correctivo, entre otros, se logrará un mejor aprovechamiento de los recursos materiales y económicos, lo cual sin duda incidirá en beneficios para la empresa y el ambiente. En este contexto, las empresas que ofrecen asistencia a las industrias para el acondicionamiento de aguas para uso industrial y tratamiento de líquidos residuales, identifican una oportunidad de negocio, que si bien puede resultarles altamente beneficioso 12
para su crecimiento como empresa, ofrece a sus clientes un apoyo tecnológico para una producción más limpia. Aun cuando lo planteado anteriormente, se sustenta en los principios de la lógica sana, las inversiones necesarias para la implantación de sistemas de instrumentación y automatización en el área de servicios industriales, pueden convertirse en un factor determinante en la toma de decisiones en esta materia, especialmente si este es el único factor de análisis. Es por ello que se considera conveniente incorporar otros elementos tales como los beneficios técnicos económicos y ambientales asociados a la propuesta de automatización que se este considerando. En esta oportunidad se propone a través del estudio de dos casos específicos ampliamente utilizados en el sector industrial venezolano, como son torres de enfriamiento y separadores de sólidos por flotación con aire disuelto (DAF), presentar evidencias concretas donde se muestren los beneficios asociados a la instrumentación y automatización de los procesos de dosificación de químicos, logrando un mejor control, eficiencia del tratamiento, menos utilización de recursos naturales y menos contaminación al ambiente, y así facilitar la toma de decisiones al respecto. En tal sentido, los objetivos del presente trabajo son: General: Determinar y cuantificar los beneficios técnicos, económicos y ambientales que trae como consecuencia la automatización del tratamiento químico aplicado a las aguas industriales. Específicos: Diseñar e instalar un sistema de automatización y control para cada uno de las unidades seleccionadas para la ejecución del presente estudio: Torre de Enfriamiento y Separador de Sólidos por Flotación con Aire Disuelto (DAF) ampliamente utilizados en el sector industrial venezolano. Identificar los parámetros a considerar en la cuantificación de los beneficios técnicos, económicos y ambientales de la automatización y control de procesos para el acondicionamiento de aguas y líquidos residuales industriales. Evaluar las implicaciones técnicas, económicas y ambientales de la implantación de los sistemas de automatización y control propuestos. 13
Con el propósito de facilitar el seguimiento del estudio realizado, el trabajo se organiza en tres capítulos. En el Capítulo I, se presentan las bases conceptuales en el cual será enmarcado el estudio. Allí se introducen los nuevos planteamientos en la gestión empresarial con relación al tema ambiental, las bases para la cuantificación del impacto de los sistemas de control en el desempeño de los procesos productivos así como los aspectos técnicos relacionados con los principios básicos de la operación de las unidades seleccionadas para la ejecución del estudio (Torre de Enfriamiento y Separador de Sólidos) y con el diseño, implantación y seguimiento de los sistemas de automatización de estas unidades. En el Capítulo II se describe la metodología usada para lograr la determinación de los beneficios técnicos, económicos y ambientales. Incluye descripción de los casos de interés, revisión de los aspectos técnicos relacionados, selección de los parámetros a monitorear, identificación de los requerimientos de automatización, recolección, compilación y tratamiento de la información. En el Capítulo III, se presenta los resultados obtenidos de los sistemas en estudio para su posterior análisis y comentarios. Finalmente se presentan las conclusiones y recomendaciones del estudio realizado.
14
Capítulo I Marco teórico
Para toda organización es fundamental la optimización continua de sus operaciones ya sea implementando procedimientos administrativos u operativos más eficientes y de bajo costo, o invirtiendo en desarrollos de sistemas automáticos para lograr el objetivo “reducir los costos de operación, invirtiendo lo menos posible, para una pronta recuperación de la inversión” (Delgado,1998). Lo anterior refleja lo que hasta ahora, ha sido la percepción de los empresarios sobre los sistemas automatizados en los procesos industriales. Sin embargo, las crecientes presiones por un uso eficiente y razonable de los recursos naturales, han hecho posible la adopción de nuevos modelos de gestión empresarial, los cuales van más allá del
simple beneficio
económico y tecnológico. Su aplicación persigue el mejoramiento y optimización de los procesos, buscando la disminución de las emisiones y de los subproductos de desechos inutilizables vertidos al medio, lo cual suele redundar en eficiencia del proceso y calidad de los productos terminados, así como en las utilidades percibidas. En este contexto, una de las formas de disminuir los desechos generados por los diferentes procesos industriales, es controlar o reducir los desperdicios en su origen, esto se puede obtener mediante la llamada aplicación de las “Tecnologías Limpias”, donde una de las opciones es la automatización de los procesos (Blanco et al, 2001). Los sistemas de automatización, por lo regular, permiten lograr: un control del proceso más eficiente, reducir la generación de contaminantes y recursos requeridos, incrementar la producción, bajar los costos y mejorar la calidad del producto final. Sin embargo, antes de iniciar una cambio tan significativo en la empresa, se debe tomar en cuenta algunas consideraciones como son los beneficios económicos, técnicos y más recientemente, los ambientales. La consideración de todos estos factores es lo que permitirá a quienes realizan la propuesta, justificar un proyecto de automatización ante directivos, jefes e incluso, ante clientes.
15
A continuación se presentan algunos conceptos fundamentales en los que se enmarcará el presente estudio. Se comienza por presentar los nuevos planteamientos gerenciales para el cuidado del medio ambiente, para luego pasar a describir las partes que conforman los sistemas de automatización y las características técnicas de los sistema seleccionados como casos de estudio. Estos casos de interés ayudarán a mostrar de forma cuantitativa como la minimización del flujo de desechos descargado al medio (prevención de la contaminación), mediante la inversión de capital en equipos de automatización para mejorar la eficiencia y calidad de los procesos que originan estos desechos, se pueden obtener rápidas amortizaciones sobre estas inversiones así como un proceso más eficiente. I.1.
Nuevos planteamientos en la gestión empresarial con relación al tema ambiental. Es cada vez mayor el número de empresas que propicia la protección ambiental, bien sea para cumplir con las leyes en esta materia o como consecuencia de las actividades para incrementar la eficiencia de sus procesos productivos, o ambas. Las industrias de procesos, en particular, han experimentado importantes transformaciones o cambios no solo en su estructura técnica, sino también en el desarrollo de nuevas prácticas de gestión organizacional y de producción. En general, se están abriendo caminos para actuar creativamente y responder a las exigencias ambientales, ya que de esta manera, además de lograr la reducción de los desechos y utilización de recursos más eficiente, también se agilizan los procesos productivos, se reducen costos, se mejora la calidad de los productos y, en consecuencia, las empresas se hacen más competitivas (Najul et al, 2001). Uno de estos cambios se ha enfocado en lo que era la concepción tradicional del manejo de los efluentes líquidos, el cual consistía en el tratamiento de la corriente líquida tal y como se produce, de forma tal que el sistema de tratamiento se convertía en un proceso adicional a la industria, cuya materia prima o alimentación estaba sujeta a la variabilidad de la descarga, exigiendo gastos en horas de trabajo, energía, materiales y de capital (Blanco et al, 2001 ). A medida que las exigencias en cuanto al control de efluentes se hacen cada vez mayores, así como los costos asociados, los industriales se vieron forzados a realizar un análisis más profundo de la tecnología de control en el punto final de descarga (Freeman, 1998). 16
Como resultado de este análisis, muchas industrias se han percatado de la importancia de reducir los desperdicios durante el proceso de manufactura en lugar de tratarlos en el punto final de descarga tal cual como eran producidos, pues con frecuencia la reducción de los desperdicios durante el proceso no solo redunda en beneficios económicos para las industrias, mejorando la eficiencia del proceso productivo, sino que aminoran el deterioro ambiental, disminuyendo el impacto ambiental que ocasiona el vertido de los efluentes al medio. Algunos términos asociados a los nuevos planteamientos anteriormente descritos son Ecoeficiencia y Prevención de la Contaminación, basados en
actividades de
prevención y no en actividades correctivas. Ecoeficiencia es un concepto novedoso y en plena evolución que puede resumirse en lo siguiente: “Producir más con menos”. Reducir los desechos y consumir menos energía y materias primas, implica para las empresas reducir costos de producción y operación; para el ambiente, disminuir la contaminación y el deterioro. La ecoeficiencia es ante todo una cultura administrativa que guía al empresario a asumir su responsabilidad con la sociedad, a impulsar innovaciones en sus negocios y ser cada vez más competitivo (Taylhardat, 1998). Entre los principales beneficios de la ecoeficiencia para las empresas se encuentran los siguientes: Elevar competitividad. Reducir los costos de producción. Introducir innovaciones en los procesos. Mejorar el desempeño económico y financiero. Evitar multas y sanciones. Mejorar las relaciones con la comunidad. Ganar prestigio entre clientes y proveedores. 17
Promover un ambiente laboral más sano. Las empresas que han asumido un papel activo en el campo ambiental están cosechando resultados. Una auditoria realizada por la empresa Dow Chemical a 575 empresas que han realizado proyectos de reducción de consumo de energía y emisión de desechos desde 1982, revela que el retorno anual promedio de la inversión realizada es de 204 por ciento. Un ejemplo, es el programa de Luces Verdes de Boeing, que permitió recuperar la inversión en 2 años con un retorno de 53 por ciento y los cambios en los sistemas de iluminación del Hotel St. Francis en san Francisco que arrojo un retorno de 112 por ciento (Taylhardat, 1998). El otro término referido es el llamado P2 (Pollution Prevention) o “Prevención de la Contaminación”, el cual es una estrategia de fuerza mayor por muchas razones. Si no se genera contaminación, entonces no existen contaminantes que administrar. El prevenir la contaminación antes de que se presente también evita situaciones que podrían poner en peligro no sólo a los miembros de la comunidad, sino también a los trabajadores involucrados en la administración de la contaminación (Freeman, 1998). Uno de los mayores beneficios de la P2 es que, con frecuencia, constituye una solución en lo económico. El examen cuidadoso del proceso de manufactura, necesario para planificar un método exitoso de prevención de la contaminación, puede producir una gran variedad de beneficios colaterales así como mejoras significativas en materia de conservación de agua y energía y mejor o más consistente calidad del producto. La prevención de la contaminación puede ayudar a: Mejorar “el resultado final” de una empresa. Cumplir con mayor facilidad con los reglamentos ambientales. De lo señalado hasta ahora, se extrae que en el nuevo contexto de la gestión empresarial, una de las formas de disminuir los desperdicios generados por los diferentes procesos industriales, es controlar o reducir los desperdicios en su origen, la cual se puede lograr de diferentes formas (Freeman, 1998): 18
Cambios en los productos. Cambio en la materia prima. Buenas prácticas operativas. Control en la fuente Cambios tecnológicos. A su vez, los cambios tecnológicos o la aplicación de tecnologías limpias (llamada así por estar orientada a la reducción de desperdicios) involucra: (Blanco et al, 1998): Cambio de procesos. Mientras mayor sea la eficiencia en el proceso productivo, menor será la generación de desechos. Cambio de equipos. Equipos obsoletos que producen grandes perdidas de materiales contaminando el proceso. Cambio en el esquema operacional. La automatización de los procesos. El presente estudio se centra en la incorporación de esta última modalidad específicamente en procesos aplicados en el área de servicios industriales, como una posible acción para disminuir el impacto ambiental ocasionado por estas unidades, haciendo hincapié en la cuantificación de los beneficios técnicos, económicos y ambientales que ofrece la automatización en estos casos particulares I.2.
Estrategia para la cuantificación del impacto de los sistemas de control en el desempeño de los procesos productivos. El desempeño y la confiabilidad del sistema de control influyen, en gran medida, sobre la eficiencia general de los procesos, manteniendo dentro de rango los valores o 19
parámetros de control. Todo lo anterior se traduce en una mejor calidad del sistema y producto final, impactando en el medio ambiente de forma positiva debido a la reducción de los desperdicios. Por otro lado, la implementación de los sistemas de control puede lograr reducir la cantidad de recursos hídricos utilizados por los procesos, los cuales son cada vez más limitados y de menor calidad. A manera de ejemplo se puede mencionar que manteniendo los procesos dentro de los rangos de control para reducir los volúmenes de agua que las industrias requieren y para reducir los desechos en la descarga final, se producen ahorros para las industrias generando más utilidades, y a su vez, se convierten en industrias ecoeficientes y mas limpias. Para lograr visualizar lo anterior deben recolectarse los datos o parámetros bajo estudio de los sistemas, antes y después de los efectos de la implementación de un sistema de control, y además, aplicar programas o técnicas de estudios estadísticos como son los programas de control de procesos estadísticos (SPC), discutido más adelante. Lo anterior implica que el sistema de control propuesto haya sido diseñado atendiendo a las características del sistema a controlar y la tecnología disponible para tal control. En el entendido de que entre los objetivos del presente trabajo se plantea evaluar el impacto técnico, económico y ambiental del control automatizado de procesos en el área de servicios industriales, se considera necesario revisar los principios básicos de los sistemas de control comúnmente usados en esta área así como la técnica estadística que permite el monitoreo de su desempeño. Con estas herramientas y teniendo en cuenta las características de los sistemas que serán sometidos a control y la identificación de los problemas operacionales asociados, así como las variables involucradas, será posible diseñar el sistema de control, operarlo para posteriormente evaluarlo en los términos que se han propuesto anteriormente.
20
I.3.
Sistemas de control de procesos. El control automático ha jugado un papel vital en el avance de la ciencia y de la ingeniería. Además de su extrema importancia en vehículos espaciales, sistemas de guía de proyectiles, sistemas de piloto automático de aeronaves, sistemas robóticos y otros, el control automático se ha vuelto parte integral e importante de los procesos industriales y de manufactura modernos. Por ejemplo, el control automático resulta esencial en el control numérico de las máquinas y herramientas en la industria manufacturera. También resulta esencial en operaciones industriales como el control de presión, temperatura, humedad, nivel, viscosidad, y flujo en las industrias de transformación (Ogata, 1991). Un sistema de control de procesos es una operación voluntaria o artificial, progresivamente continua, que consiste en una serie de acciones controladas o movimientos dirigidos hacia un determinado resultado final (Hugges, 1998). Los elementos básicos de un sistema de control de procesos son: el proceso, la medición, la evaluación o control, y los elementos finales de control (Hugges, 1998). Proceso: Se refiere al conjunto de equipos y materiales ensamblados y relacionados para alguna secuencia manufacturera y que debe controlarse. Algunos ejemplos son: generación de vapor (calderas), sistemas de aguas de enfriamiento (torres de enfriamiento), sistemas de clarificación, refinerías, líneas de envasado, líneas ensambladoras, etc. Medición: La medición es la conversión de la variable dinámica de proceso (física o química) a una señal análoga de esta variable, como por ejemplo, a presión neumática, a un voltaje eléctrico o a una corriente eléctrica. La medición se hace a través de elementos primarios los cuales responden a la cantidad física a ser medida y utiliza energía de esa cantidad para transformar su propio estado en tal forma que el resultado de la transformación pueda ser utilizado como información útil y representativa de dicha cantidad (Navarro, 1995). 21
Entre las características mas resaltantes de un instrumento de medición se encuentran: Resolución: Se refiera a la capacidad del instrumento para diferenciar dos magnitudes físicas o químicas cercanas. Precisión o Repetitividad: Entendida como la capacidad que tiene el instrumento de medición para ser consistente en la medición de una cantidad física en particular. Exactitud: Se refiere a la discrepancia entre el resultado de la medición y el verdadero valor (Patrones de valores precisos suministrado por laboratorios de metrologías normalmente regulados con altas normas de calidad) de la variable física que está siendo medida.
Estrechamente relacionado con la medición se tiene el error de medición, el cual se clasifica en sistemático, aquel que en el curso de una serie de mediciones, hechas en las mismas condiciones sobre la misma cantidad, permanece constante en signo y en magnitud o varía de acuerdo a un ley definida cuando las condiciones cambian, y aleatorios asociado a la variabilidad del signo y magnitud del error sin ley definida durante las mediciones. En la selección de un instrumento de medición se requiere dar respuesta a cinco preguntas básicas (Delaware, 1976): ¿Cuáles son las características del proceso en donde el instrumento medirá? ¿Cómo va a ser usado la salida del instrumento, si es para control o para registros, o solo indicación? ¿Qué indicara con respecto al actual proceso? ¿Qué tan buenas serán las condiciones de medición? ¿Cuál es su costo?
22
Control: Control consiste en comparar el valor real de la salida de la planta (variable controlada) con la entrada de referencia (valor deseado), determinando el error o diferencia entre estas dos variables, y producir una señal de control (variable
Valor Deseado (Ref) e(t) = VC(t) - Ref(t) Variable Controlada (VC)
Control
Variable Manipulada f(e(t))
Adaptada de Hugges (1998)
Figura 1.1. Función del bloque de control. manipulada) que tratará de reducir el error o diferencia a cero, o a un valor muy pequeño (Ver Figura 1.1.). La forma como el controlador modifica la señal de control e(t), se denomina acción de control. Básicamente, en la industria se aplican dos formas de realizar el control de una variable: control con lazos abiertos y control con lazos cerrados, este último, también llamado lazo retroalimentado. La Figura 1.2. muestra esquemáticamente un lazo de control abierto. En este caso el sistema de control responde como un indicador causa – efecto, en consecuencia, las alteraciones o cambios inesperados que suceden en el proceso hacen sentir sus efectos a la salida de éste, es decir, en el valor de la variable controlada. Como no permite comparar el valor deseado o referencia con el de la variable controlada, no es posible ejecutar la acción de control con base a esta comparación así como tampoco con base en el disturbio que ocasionó la variación.
23
Valor Deseado
Disturbios
Controlador
Variable Manipulada
Dispositivo corrector final
Proceso
Variable Controlada
Adaptada de Hugges (1998) Figura 1.2. Diagrama de Bloques del Lazo de Control Abierto. La Figura 1.3. muestra un diagrama de bloques que describe el lazo de control cerrado o retroalimentado. En este caso, el instrumento de medición envía la señal correspondiente al valor de la variable a controlar a un bloque comparador, el cual, en función de la desviación con respecto al valor deseado o referencia, genera una señal de error, positiva o negativa, dependiendo de cómo evoluciona el proceso. Esta señal es recibida por el elemento controlador, el cual a su vez genera una señal de salida modificada (variable manipulada modificada) que activa el dispositivo corrector. A diferencia del caso anterior, la acción de control se realiza con base a la comparación del valor de la variable controlada con el deseable e indirectamente en función de la perturbación que ocasiona la variación. Valor Deseado
+ -
Disturbios Variable Manipulada e(t)
Variable Manipulada (Modificada según la acción de control) Controlador
Variable Controlada
Dispositivo corrector final
Proceso
Variable Controlada
Instrumento de medición
Adaptada de Hughes (1998) Figura 1.3. Diagrama de bloques del Lazo de Control Cerrado.
24
En general, las
acciones de control o formas de modificar la señal de error
(diferencia entre la variable controlada y el valor deseado) pueden ser de varios tipos (Ogata, 1991): Control de dos posiciones (Todo o Nada) Control proporcional (P) Control proporcional integral (PI) Control Proporcional – Integral – Derivativo (PID) Control Todo o Nada: La acción de control tiene sólo dos posiciones fijas, que en muchos casos son, simplemente conectado y desconectado. En un controlador de dos posiciones, la señal permanece en un valor máximo o mínimo, según sea la señal de error positiva o negativa, de manera que: u (t ) = U
1
u (t ) = U
2
para
e (t ) > 0
para
e (t ) < 0
donde: U1 y U2 son constantes, por ejemplo U1=100% y U2= 0%. u(t) la señal de salida del controlador y e(t) la señal de error, ambas en función del tiempo. Una de las características de esta forma o acción de control es la denominada zona muerta de acción o brecha diferencial (BD), la cual se puede visualizar en el diagrama en bloques presentado en la Figura 1.4. Tal brecha diferencial hace que la salida del controlador u(t) mantenga su valor ( U1 o U2) hasta que la señal de error haya rebasado ligeramente el valor cero. Esta brecha diferencial se utiliza para impedir la acción excesiva y frecuente del actuador o elemento final de control cuando la variable controlada esta cercana al valor deseado, y así evitar el desgaste excesivo del mismo, debido a las oscilaciones.
25
Valor Deseado
+-
Variable Manipulada u(t)
e(t)
U2
U1
Instrumento de medición
Variable Controlada
Adaptada de Moloney (1983) Figura 1.4. Diagrama de Bloques de la Acción de Control TODO o NADA.
Es decir, matemáticamente tenemos que: u (t ) = U
1
u (t ) = U
2
para
e ( t ) > 0 + BD
para
e ( t ) < 0 − BD
donde: U1 y U2 son constantes, por ejemplo U1=100% y U2= 0%. u(t) la señal de salida del controlador y e(t) la señal de error, ambas en función del tiempo. BD es el valor constante de la brecha diferencial. Con el propósito de ilustrar el funcionamiento de un controlador todo o nada, se presenta la Gráfica 1.1. correspondiente a la acción de control de temperatura en un proceso industrial. En la gráfica se muestra la apertura de la válvula y la variable controlada temperatura, ambas versus el tiempo. En este caso, el valor deseado está en 120 °C y la zona de actuación o brecha diferencial es de 6°C, es así como se establece la apertura de la válvula a la temperatura de 126°C y el cierre de la misma a la temperatura de 114°C.
26
140,00 Apertura de la válvula
100% 130,00
°C
126 °C
120,00 114 °C
110,00
100,00
0% 1
11
21
31
41
51
61
71
Tiempo TEMPERATURA ACCION DE CONTROL
Gráfica 1.1. Acción de control TODO o NADA.
Control Proporcional (P): En este tipo de control el elemento corrector (variable manipulada) no es forzado a tomar ninguna posición. En lugar de esto, tiene un rango continuo de posiciones posibles. La posición exacta que toma es proporcional a la señal de error. En otras palabras, la salida del bloque controlador es proporcional a su entrada. El esquema de funcionamiento de esta forma de acción de control se muestra en la Figura 1.5.
Valor Deseado Variable Manipulada
+ -
u(t)
e(t)
Kp Instrumento de medición
Variable Controlada
Adaptada de Hughes (1998) Figura 1.5. Diagrama de bloques de la Acción de Control Proporcional. 27
La expresión matemática de este controlador es la siguiente:
u (t ) = K
donde:
p
e (t ) + m
Kp es la ganancia proporcional m es la posición de la válvula que se desea cuando el error es cero. u(t) y e(t) señales de salida del controlador y error respectivamente.
Una de las características de esta forma de control es lo que se denomina la banda proporcional, definida como el rango deseado del controlador en el cual el valor medido cambiará la posición del elemento final de control entre 0% y 100%. Usualmente la banda proporcional se expresa como un porcentaje de la totalidad del rango del controlador. Por ejemplo, si el controlador tienen un rango de control para controlar temperatura entre 60°C y 300°C, esto representa una banda de ajuste de 240°C (300°C – 60°C), y se quiere controlar una temperatura entre 165°C y 190°C, esto representa un rango deseado de 25°C (190°C - 165°C), la banda proporcional sería en este caso:
% BP =
Rango de control deseado Rango de ajuste
* 100 =
25 ° C = 10 , 4 % 240 ° C
La ganancia proporcional se calcula de la siguiente forma:
K
p
=
100 % % BP
La Gráfica 1.2. muestra la variación de la posición de la válvula (% de apertura) versus la temperatura, para una acción de control proporcional de esta variable. En este caso la posición de la válvula es proporcional a la señal de error y la banda proporcional es de 25 °C
(190°C – 165°C ), que expresada en términos de
porcentaje, suponiendo un rango de ajuste de 240°C , corresponde a un valor de 10,4%.
28
% de apertura de la válvula
120 100 80 60 40 20 0 160
165
170
175
180
185
190
°C
Adaptada de Hughes (1998) Gráfica 1.2. Ejemplo de Acción de Control Proporcional. Control Proporcional e Integral (PI): En este tipo de control la posición del elemento de control final (una válvula, bomba, etc.) está determinada por dos factores: La magnitud de la señal de error. Esta es la parte proporcional, señalada anteriormente. La integral con respecto al tiempo de la señal de error. Se incluye la parte integral para eliminar el desbalance permanente que genera la parte proporcional, la cual es corregida a medida que pasa el tiempo. La expresión matemática para este controlador queda definida por la siguiente ecuación:
u (t) =
donde:
K
p
e (t ) +
t
K T
p i
i
∫
e ( t ) dt
+ m
0
Kp : ganancia proporcional. Ti : tiempo de integración. Otros símbolos definidos anteriormente. 29
La Gráfica 1.3. muestra como responde el controlador PI frente a un cambio en la variable controlada, es decir una variación del error. Mientras la magnitud del error (diferencia entre la variable controlada VC y el valor deseado o referencia Ref.) se mantiene invariable, la posición del controlador se mantiene en un determinado nivel (Periodo A), pero, cuando aparece la desviación (instante T0), la posición de la válvula se ajustará proporcionalmente a la magnitud del error (Periodo entre T0 y T1) mas la integral del mismo error muestreado durante el intervalo de tiempo entre Ti . La línea roja en el segundo gráfico nos muestra la respuesta definitiva del controlador ante el cambio en al variable controlada. Como se observa esta respuesta tiene una parte proporcional y otra parte integrada. ERROR A
e = VC - Ref.
0
Ref = VC e=0 TIEMPO
SALIDA DEL CONTROLADOR
Parte Integrativa + Proporcional
Ti 2.Kp.A
Parte proporcional
Kp.A
Periodo A
To
T1
TIEMPO
Adaptada de Hughes (1998) Gráfica 1.3. Acción de Control Proporcional Integrativo.
30
Aun cuando esta forma de control es ampliamente utilizada en mucha situaciones, cuando los cambios son muy rápidos o extremadamente lentos, pierde utilidad, tal es el caso de cambios muy rápidos en la carga o retardos de tiempo grandes entre la aplicación de la acción correctora y la aparición de los resultados de dicha acción en la variable medida. En estos casos es preferible pensar en la aplicación de un control proporcional integral derivativo descrito a continuación. Control Proporcional Integral Derivativo (PID): En este tipo de control, la acción correctora es determinada por tres factores: La magnitud del error. Esta es la parte proporcional. La integral con respecto al tiempo de la magnitud del error. La razón de tiempo del cambio del error. Un rápido cambio en el error produce una acción correctora mayor que un cambio lento en el error. Esta es la parte derivativa. En un sentido muy sencillo, la parte derivativa del controlador intenta “mirar hacia adelante” y prevé que el proceso sufrirá un gran cambio basándose en las medidas actuales. Es decir, si la variable medida está cambiando muy rápidamente, es seguro que tratará de cambiar la salida (variable manipulada) en una escala mayor. La expresión matemática para este controlador queda definida por la siguiente ecuación:
u (t ) = K
donde:
p
e (t ) +
K Ti
p
ti
∫
e ( t ) dt + K
0
p
Td
de ( t ) + m dt
Kp es la ganancia proporcional, Ti es la constante de tiempo integrativa, Td es la constante de tiempo derivativa. Otros símbolos definidos anteriormente
La Gráfica 1.4. ilustra la respuesta o señal de salida de una acción de control PID para un determinado comportamiento de la señal de error, mostrando las diferentes 31
respuestas a medida que se incorporan sus componentes (proporcional, proporcional integrativo y proporcional integrativo derivativo).
12 10
e(t)
8 6 4 2 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Tiempo
25 20 P
u(t)
15
PI 10
PID
5 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
Tiempo
Adaptada de Hughes (1998) Gráfica 1.4. Acción de Control PID con sus componentes P y PI. Se observa que para el caso de la acción de control del tipo PID, la variable manipulada o salida del controlador aumenta exponencialmente a medida que el error varia linealmente. En otras palabras el controlador se está adelantando a los cambios del error para tratar de estabilizarlo. Selección del Tipo de Acción de Control: El factor fundamental para la selección de la acción de control lo constituye las características del proceso a controlar entre las cuales cabe mencionar: constante de 32
tiempo de retardo, tiempo muerto, magnitud y velocidad del disturbio en la carga. Desde luego la exactitud de control deseada es también un factor primario determinante en la escogencia del modo de control; si puede permitirse que la variable medida se desvíe del valor de referencia en un amplio margen sin que el producto sufra daño, no tiene sentido instalar un controlador capaz de mantener pequeña la desviación. En tal caso, no importa que tan nefastas sean las características del proceso, un controlador Todo o Nada será suficiente. La Tabla 1.1. resume las relaciones entre las características del proceso y el modo de control. Naturalmente esta tabla es algo aproximado e intuitivo.
Tabla 1.1. Acción de Control Recomendada de Acuerdo a las Características del Proceso Modo de Control Todo o Nada Proporcional Proporcional Integral Proporcional Derivativo Proporcional Integral Derivativo
Retardo de reacción del proceso Largo Largo o moderado
Tiempo Muerto Muy corto
Magnitud del Velocidad del disturbio en la disturbio en la carga carga Pequeño Lento
Moderado
Pequeño
Lento
Cualquiera
Moderado
Cualquiera
Lento
Largo o Moderado
Moderado
Pequeño
Cualquiera
Cualquiera
Cualquiera
Cualquiera
Cualquiera
Adaptada de Hughes (1998) Elementos finales de control: Constituye la última etapa de un lazo de control cerrado o abierto. Son los elementos correctores cuya activación permitirá la adecuación de la variable a controlar al rango permisible en cada caso particular. Los dispositivos correctores de mayor uso en la industria moderna son las bombas centrifugas, bombas dosificadoras, válvulas solenoides, válvulas de control, motores AC y DC, entre otros.
33
I.4.
Técnicas de entonación de lazos cerrados. La entonación de lazos consiste en determinar los valores óptimos de ganancia proporcional (Kp), tiempo integrativo (Ti) y tiempo derivativo (Td) según sea la forma de acción de control que se seleccione. Uno de los métodos de entonación más famoso es el propuesto por Ziegler Nichols basado en la curva de reacción del proceso. Este método consiste en determinar el tiempo de reacción del proceso ante un cambio y con la ayuda de algunas formulas sencillas determinar los parámetros PID. Los pasos a seguir para este tipo de entonación se resumen en los siguientes términos: Se coloca el lazo de control en manual, es decir, la salida del controlador queda fijada por el operador. Se espera que la variable a controlar se coloque en un valor estable. Manualmente, se ajusta la variable manipulada a un valor. Es decir se crea una entrada escalón al proceso. Se espera a que el proceso reaccione ante este cambio. En todo momento se debe registrar el comportamiento de la variable a controlar para obtener la curva de reacción de proceso. (Ver Gráfica 1.5.) Con la secuencia anterior lo que se logra, es obtener curvas como la mostrada en la Gráfica 1.5., la cual representa la variable controlada en función del tiempo, ante un cambio en la variable manipulada. De la gráfica se determinan los valores Lr y RrLr. Para obtener dichos valores, se comienza por trazar la tangente de máxima pendiente (L1) a la curva obtenida. La pendiente de esta tangente representa a Rr y corresponde a la tasa de cambio del proceso. La distancia entre el punto donde esta tangente corta la línea horizontal de inicio del proceso (L2) y hasta el eje Y, corresponde al valor de Lr y representa el tiempo muerto del proceso. Un punto de corte con el eje Y es obtenido extrapolando la tangente (L1) y la distancia vertical desde este punto hasta la línea L2, representa el producto de RrLr.
34
Variable Controlada
L1
Lr
K L2
Lr Rr L3 Tiempo
Adaptada de Hughes (1998) Gráfica 1.5. Curva de reacción del Proceso. Con los datos anteriores se aplican las siguientes ecuaciones: Solo lazo proporcional:
Kp = 1 / LrRr
Proporcional Integrativo:
Kp = 0.9 / LrRr ti = 3.33Lr
Proporcional Integrativo Derivativo: Kp = 1.2 / LrRr ti = 2.0 Lr td = 0.5 Lr Cabe resaltar que este método no es el único que existe, pero es el que mejor se adapta en caso de automatización de procesos muy lentos en respuesta o reacción a los cambios. Como se verá más adelante, es una de las características de los sistemas objeto del presente trabajo. I.5.
Control Estadístico de Proceso (SPC). Unas de las innovaciones que aumentaron el potencial de desempeño de los sistemas de control es el control estadístico de proceso (SPC) el cual determina las condiciones de control óptimas con base en los resultados de los datos estadísticos. 35
Al realizar pequeños ajustes de incremento en el proceso y observar los resultados con el tiempo, a fin de asegurarse de que las mejoras sean reales y no el resultado de algún factor temporal que afecte al proceso, es posible establecer y verificar las mejoras reales en su operación. En la Gráfica 1.6. se ilustra una gráfica de control estadístico para la variable conductividad del agua. Con el uso de gráficas de control es posible establecer las condiciones del punto de partida, medir las mejoras en la eficiencia del proceso, así como detectar y aislar las variaciones irregulares que no correspondan a la norma. Así mismo, es posible establecer limites de control preestablecidos que actúen como sistemas de alarmas y avisen al operario que el desempeño del proceso controlado está degradándose o se sale de control (Freeman,1998).
1.600,00 1.400,00 1.200,00 1.000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00
UCL Control
01/05/00
01/04/00
01/03/00
01/02/00
01/01/00
01/12/99
01/11/99
01/10/99
01/09/99
01/08/99
01/07/99
01/06/99
01/05/99
01/04/99
01/03/99
01/02/99
01/01/99
01/12/98
LCL 01/11/98
uMhos / cm
Conductividad del agua
Fecha
Gráfica 1.6. Ejemplo de Gráfica para el Control Estadístico de la Variable. En la gráfica se puede observar los limites de control UCL (Upper Control Limit) y LCL (Lower Control Limit), las cuales indican los límites superiores e inferiores del sistema de control para la variable conductividad. El valor de control deseado es de 1000 uMhos / cm. De la gráfica se pueden crear histogramas para determinar el porcentaje de tiempo que la variable se ha movido dentro y fuera de los rangos preestablecidos, permitiendo realizar el estudio estadístico del parámetro. I.6.
Aspectos Técnicos de los Sistemas Seleccionados para el Estudio. Como se mencionó anteriormente, los sistemas seleccionados para el presente estudio son las Torres de Enfriamiento de Recirculación Abierta y los Separadores de Sólidos por Flotación con Aire Disuelto recirculado (DAF).
36
I.6.1.
Sistema de Enfriamiento de Recirculación Abierta: Estos sistemas continuamente reusan el agua que pasa a través del intercambiador de calor. El agua de recirculación se toma de la llamada piscina de “agua fría”. La operación de este sistema de enfriamiento consiste en provocar una cascada con el agua caliente proveniente del intercambiador de calor a fin de disipar una cantidad de calor determinada (ver Figura 1.6.). El agua fría cae en una piscina para luego ser enviada a las unidades de transferencia de calor. Se requiere de una entrada de agua extra (agua de aportación) la cual se agrega a la piscina de agua fría para recuperar el agua pérdida por evaporación y otras perdidas. Adicionalmente, el agua de aportación repone una pérdida de agua intencional, realizada a través de la purga continua que se
realiza con el propósito de mantener un nivel
aceptable de minerales disueltos y sólidos suspendidos en el agua de la torre (Kemmer,1998). Un parámetro de interés en estos sistemas es la concentración de los sólidos disueltos en el agua de enfriamiento. Si no hay otras pérdidas en el sistema, el proceso de evaporación ocasionará un incremento de los sólidos disueltos en el agua de recirculación, llegando a una sobresaturación y provocar daños en el sistema de enfriamiento por deposición de sólidos o taponamiento de tuberías. Para evitar lo anterior, se requiere realizar purgas continuas en dichos sistemas. Lo anterior trae como consecuencia una entrada de agua o aportación a la torre para reponer al agua perdida, ocasionando que la concentración de sólidos baje y así mantener este parámetro dentro de control (Ver figura 1.6. y 1.7.)
37
Sistema de Recirculación Abierta Intercambiador
Aportación Purga continua
Torre de Enfriamiento
EJEMPLOS Tanques rociadores Enfriamiento Condensadores evaporativos
Bomba
CARACTERISTICAS Temp. Prom. Diferencial: 20-30°F [11.1-16.7°C] Cantidad de agua usada: Moderada
Adaptada de Kemmer (1998) Figura 1.6. Esquema de un Sistema de Enfriamiento de Recirculación Abierta.
Evaporación
Aportación = Evaporación + Purgas
Aportación Purga
Adaptada de Kemmer (1998) Figura 1.7. Efecto de la purga continua en la Torre de Enfriamiento. Cabe resaltar que en algunos sistemas el agua procedente de las purgas continuas ( o perdidas intencionales) se descarga a varios tipos de plantas de tratamiento de efluentes, otras, a sistemas municipales. Esto impone ciertas consideraciones al momento de seleccionar un programa de tratamiento químico y la eficiencia en la operación del mismo. Los factores que afectan el funcionamiento de las torres de enfriamiento son: 38
La superficie de contacto entre el agua y el aire, la cual depende del relleno interno de la torre de enfriamiento. La velocidad relativa de las corrientes aire – agua, estrechamente relacionado con la velocidad de los ventiladores. El tiempo de contacto entre el aire y el agua, también asociado a la velocidad de los ventiladores y a la altura de la torre. El flujo de corrientes en una torre de enfriamiento operando bajo condiciones de recirculación abierta se muestra en la Figura 1.8. y la nomenclatura utilizada para su identificación se presenta en la tabla 1.2. El control del flujo de estas corrientes y los parámetros de calidad asociados, es lo que previene la ocurrencia de los problemas operacionales del sistema, los cuales se traducen en ineficiencias del sistema propiamente dicho, ineficiencias en el proceso productivo y en general problemas de orden técnico, ambiental y económico.
A2
E
D
R A1 M
V
B
C
S
Adaptada de Boffardi (1993) Figura 1.8. Torre de Enfriamiento. Balance de Masas.
39
Tabla 1.2 Parámetros Involucrados en la Operación de Torres de Enfriamiento Parámetro A1, A2 B C D E M R S V
Descripción Entrada y Salida de aire Flujo de agua por la purga continua Intercambiador de Calor Pérdidas de agua Evaporación Flujo de agua de aportación Flujo de agua de retorno Flujo de agua de recirculación Volumen del sistema
Algunas de las consecuencias de un manejo inadecuado o proceso sin control, que se pretenden resaltar en esta oportunidad son: consumo innecesario de sustancias químicas para el acondicionamiento tanto del agua como de lodos de purga con exceso de contaminantes, afectaciones al ambiente en términos de consumo excesivo de agua fresca y descargas de líquidos residuales y lo que luce más tangible, incremento de costos asociados a la operación del sistema bajo condiciones de ineficiencia. Para visualizar algunos de las consecuencias señaladas anteriormente, se considera conveniente discutir brevemente la relación entre los parámetros flujo de agua de aportación y ciclo de concentración.
Flujo de Agua de Aportación (M): Se determina a partir del balance hídrico alrededor de la torre y queda expresado según:
M
=
E
+
B
+
D
donde los símbolos han sido presentados en la Tabla 1.2. Generalmente B + D (es decir la purga continua y las perdidas por fugas) se consideran como una sola corriente llamada agua residual W. Despreciando 40
las perdidas por fugas ya que están son insignificantes en un sistema bien mantenido, el flujo de aportación queda:
=
M
E
+
B
Resulta claro que en la medida en que se logre un buen control de parámetros de calidad, por ejemplo la concentración de sólidos disueltos, disminuirán las necesidades de purga y en consecuencia, los requerimientos de agua de aportación, asimismo disminuirán las afectaciones ambientales por el volumen de agua residual descargada. Ciclo de Concentración: Se interpreta como la relación entre el flujo de agua de aportación y las veces que son concentradas los materiales disueltos como consecuencia del control de la purga continua. Su determinación, para un parámetro de interés, se realiza a partir del balance de masa para ese parámetro. Para el caso del Calcio o de los Sólidos Disueltos Totales (TSD) se tiene que:
M * C Ca ( M ) = B * C Ca ( B ) o
M * TDS M = B * TDS B Donde:
Cca(M) Cca(B) TDSM TDSB
Contenido de calcio en el agua de aportación Contenido de calcio en el agua de la torre o purga continua Sólidos disueltos totales en el agua de aportación Sólidos disueltos totales en el agua de la torre o purga continua.
Quedando el Número de Ciclo de Concentración expresado de la siguiente manera:
Ciclos
=
M Ca B TDS = = B Ca M TDS
B M
41
Teniendo en cuenta lo anterior, se puede mostrar la importancia y el impacto que tiene el control de la purga continua en la conservación del agua en el sistema. Por ejemplo en un sistema donde las pérdidas por evaporación se hayan estimado en 2500 gal/min1 y un flujo de agua de aportación en 5000 gal/min, inicialmente el N° de ciclos de concentración es 2. Si se disminuye progresivamente el flujo de agua a través de la purga, aumenta el numero de ciclos de concentración, y se disminuye sensiblemente el requerimiento de agua de aportación. Ver Tabla 1.3 y Figura 1.9. Esto solo será posible bajo un estricto control de los valores máximos permitidos de los parámetros físico químicos de las corrientes. Por otro lado, un mejor control de la purga ayudará a mantener los consumos de sustancias químicas requeridas para el acondicionamiento de la calidad de esta agua, dentro de los rangos permitidos por el sistema y por otro lado, disminuye los desechos o descargas el ambiente.
Tabla 1.3. Relación entre Ciclos de Concentración, Agua de Aportación y Purga Continua (Suponiendo tasa de evaporación constante). Ciclos 2 3 4 5 6 7
1
M (gpm) 5.000 3.750 3.333 3.125 3.000 2.917
B (gpm) 2.500 1.250 833 625 500 417
A los efectos de este trabajo, la tasa de evaporación (E) se estima según: E =
1 1000
( ∆ T )( R ) donde T
es el gradiente de temperatura y R es el flujo de agua de recirculación.
42
6.000 5.000 GPM
4.000 3.000 2.000 1.000 0 2
3
4
5
6
7
Ciclos de Concentración APORTACION (GPMx1000)
Figura 1.9. Flujo de Agua de Aportación versus Número de Ciclos de Concentración I.6.2.
Principales problemas y su solución en los sistemas de enfriamiento. Kemmer (1998) señala que los principales problemas asociados a la operación de las torres de enfriamiento son: Corrosión: Está relacionada a las características del agua y al metal usado para la fabricación de las tuberías del sistema. La corrosión causa una falla prematura en el metal; los depósitos de corrosión reducen el intercambio de calor y velocidad de flujo. Incrustamiento: Es causado por la precipitación de componentes que son insolubles a altas temperaturas, como el carbonato de calcio. Los depósitos reducen el intercambio de calor y velocidad del flujo. Ensuciamiento: Resulta por el asentamiento de los sólidos suspendidos creando una zona de corrosión, y por el crecimiento de masas microbiológicas. El ensuciamiento tiene los mismos efectos que la deposición sobre el sistema, con la salvedad que el ensuciamiento promueve corrosión severa debajo de los depósitos. Para la prevención y control de estos problemas , los especialistas en el área recomiendan la siguiente estrategia: el primer paso es identificar el tipo de problema a resolver (incrustamiento, corrosión, ensuciamiento o una 43
combinación de ellos). El próximo paso es una exhaustiva investigación para entender el proceso en si y caracterizar el lado agua del sistema. Esto incluye características
del
diseño
del
sistema,
condiciones
de
operación,
características química del agua. Todos ellos se consideran importantes consideraciones para la selección y aplicación de un programa de tratamiento químico adecuado y al menor costo posible. En la Tabla 1.4. se listan algunas de las variables controladas más importantes en los sistemas de enfriamiento así como su importancia en la prevención y control de los problemas señalados anteriormente. Tabla 1.4. Variables Controladas en el Agua de los Sistemas de Enfriamiento. Variable Ca, Mg M, pH, T SO4, SiO2 Sólidos suspendidos Contaminantes: Hidrocarburos, glicoles, NH3, SO2, H2S
Efectos Define la tendencia de incrustamiento Define las concentraciones de carbonato y bicarbonato, y la solubilidad del carbonato de calcio Debe ser controlado para prevenir incrustamiento por sulfatos y silicatos. Causan ensuciamiento, requiere de dispersantes. Causa ensuciamiento y crecimiento microbiológico, alta demanda de cloro, precipita los tratamientos químicos
Adaptada de Kemmer (1998) Las
sustancias
químicas
(Principios
Activos)
utilizadas
para
el
acondicionamiento de las aguas para uso en los sistemas de enfriamiento en función del tipo de problema que se pueda presentar se muestra en la Tabla 1.5. Si se revisa el tipo de sustancias utilizadas, todas están controladas por las normas ambientales para la descarga de vertidos en cuerpos de agua, bien porque constituyen factores determinantes en el equilibrio ecológico de los cuerpos receptores o porque presentan características de peligrosidad. Esto constituye otra de las importantes razones para un estricto control en su dosificación. La minimización de su uso, sin duda redundará en beneficios para el ambiente.
44
Tabla 1.5. Sustancias Químicas (Principios Activos) más Utilizadas en el Acondicionamiento de Aguas para Sistemas de Enfriamiento
Tipos de Tratamientos Químicos (Activos)
Tipo de Problema Corrosión
Cromatos Zinc Molibatos Silicatos Polifosfatos Polyolesters Fosfonatos Todo Orgánico Orgánicos Naturales Polímeros sintéticos Biocidas no Oxidantes Cloro / Bromo Ozono
Incrustamiento
X X X X X X X
X X X X X
Ensuciamiento
X X X X
Microbios
X X X
Adaptada de Kemmer (1998)
I.6.3.
Separación de sólidos por Flotación con Aire Disuelto - DAF (Dissolved Air Flotation) En general la separación de los sólidos suspendidos en el agua se logra mediante operaciones de tamizado, sedimentación, flotación, filtración, dependiendo del tamaño y características de las partículas a remover (Metcalf & hedí, 1996) Una aproximación de la relación entre el tamaño de la partícula con el tipo de proceso de separación Sólido / Líquido (S/L) se muestra en la Figura 1.10.
45
Coladores Filtros
Sedimentación y Flotación Ciclones Centrifugas Filtro de Gránulos Medios Filtro de Membranas
0.1
1
10 Micrones
100
1000
Adaptada de Metcalf & Eddy (1996) Figura 1.10. Diferentes tipos de equipos de separación de Sólidos - líquidos. Una de las modalidades de mayor aplicación en la remoción de sólidos suspendidos en líquidos residuales de origen industrial y en el cual se hace énfasis en esta oportunidad, es el sistema de flotación con aire disuelto (DAF por sus siglas en ingles). En los DAF los sólidos livianos flotan a la superficie con la ayuda de burbujas de aire y removidos mediante unas paletas barredoras hacia la orilla, mientras los sólidos pesados son asentados y removidos por el fondo. En estos sistemas, el líquido residual es usualmente presurizado y supersaturado con aire. Cuando la presión es liberada, el aire sale de la solución formando micro burbujas, las cuales ayudan a que los sólidos salgan a la superficie. En algunos casos, en lugar de presurizar el agua que entra, una porción del agua que sale es reciclada, pasándola por el tanque de saturación de aire, para luego unirse a la línea de agua que entra al sistema. El sistema de flotación por aire disuelto puede ser tan efectivo que la clarificación se logre en tiempos relativamente cortos (entre 15 a 20 minutos). No obstante pueden obtenerse mejoras significativas al agregar un 46
agente coagulante o floculante para acelerar la formación de flóculos. Los poli electrolitos (polímeros) han aumentado su popularidad para estas aplicaciones, y en casi todos los casos, estos incrementan la eficiencia de la clarificación por flotación (Kemmer, 1998). Para la selección del tipo de coaugulante apropiado y su dosificación se realizan las pruebas de jarras, pruebas en plantas piloto, o ambas. Las burbujas de aire formada en los DAF, normalmente tienen una ligera carga negativa. Dependiendo del tipo de materia de la partícula y el grado de aglomeración de sólidos, las burbujas de aire pueden atrapar los sólidos por algunos de los siguientes mecanismos: Simple unión de la burbuja de aire a la superficie del sólido. Esto puede ocurrir por la colisión entre ambas o por la formación de burbujas de aire en la superficie de la partícula sólida. Atrapando las burbujas de aire bajo un floculo de lodo, tanto, que las partículas de lodo “toman un rápido ascenso” a la superficie. Incorporando burbujas de aire a las estructuras de flóculos. Este es el sistema mas eficiente del uso del aire conocido, por que hay menos chance de separación de los flóculos de la burbujas de aire. Este proceso es aun mas efectivo y rápido mediante el uso de polímeros, el cual, cuando es aplicado correctamente, causará la floculación de las partículas de lodos en lugar donde las burbujas de aire son sacadas de la solución. Cuando la gravedad especifica neta de las partículas sólido – aire o aire – liquido es menor que la gravedad especifica del agua, estas partículas se elevan a la superficie. En la superficie son removidos por el uso de barredoras mecánicas. Los lodos del fondo son removidos de la misma forma por el fondo. La modalidad de aplicación de esta forma de remoción de sólidos, una vez comprobada su conveniencia de acuerdo a las características del material a remover, pueden ser sin y con recirculación ilustradas en las Figuras 1.11. y 1.12. respectivamente. En el primer caso el caudal se 47
mantiene bajo presión para dar tiempo a que el aire se disuelva. A continuación el líquido presurizado se alimenta al tanque de flotación a través de una válvula reductora de presión, lo cual provoca que el aire deje de estar en disolución y que se formen diminutas burbujas distribuidas por todo el volumen de líquido. En estos casos se presuriza la totalidad del caudal a tratar agregando aire comprimido en la tubería de descarga de la bomba que alimenta el líquido a tratar. La presión alcanza valores entre 230 y 275 kPa. En el segundo caso (con recirculación), se hace recircular parte del efluente del proceso DAF ( entre el 15% y 20%), al cual se presuriza, y se semisatura con aire (Ver Figura 1.12.). El caudal recirculado se mezcla con la corriente principal sin presurizar antes de la entrada al tanque de flotación, lo que provoca que el aire deje de estar en disolución y entre en contacto con las partículas sólidas a la entrada del tanque. Las principales aplicaciones de la flotación por aire disuelto se centran en el tratamiento de vertidos industriales y en el espesado de fangos. I.6.4.
Variables a Controlar en la Separación de Sólidos con Aire Disuelto Los principales problemas de operación de los DAF están asociados a la conocida relación Sólidos /Aire Disuelto. Valores diferentes a la condición óptima de acuerdo a las características del liquido a tratar, se refleja en disminución de la eficiencia de remoción del material .
Químico
Fango espesado Clarificador por Flotación
Agua residual a tratar
Efluente
Aire
Extracción de sólidos sedimentados Válvula reguladora de presión
Adaptada de Metcalf & Eddy (1996)
Figura 1.11. Sistema de Flotación por Aire Disuelto sin Recirculación. 48
Químico
Fango espesado
Agua residual a tratar
Efluente
Clarificador por Flotación
Extracción de sólidos sedimentados
Recirculación
Válvula de control de presión Aire
Adaptada de Metcalf & Eddy (1996) Figura 1.12. Sistema de Flotación por Aire Disuelto con Recirculación El comportamiento de la relación aire sólido es particular para cada caso, así que, para una determinada carga de material a remover se determina, mediante pruebas a escala en laboratorio y piloto la cantidad de aire a suministrar. Esto trae como consecuencia que el parámetro a controlar sea el contenido de sólidos a la entrada y salida del sistema. Para el primer caso (Entrada del sistema), es indicar los requerimientos de aire a suministrar y dosificación de sustancias químicas (polímeros) si ello forma parte del tratamiento y en el segundo (salida del sistema), es verificar la calidad del efluente producido. Adicionalmente, si se aplican sustancias químicas, su dosificación deberá realizarse bajo estricto control a fin de mantener eficiencia del sistema y minimizar el consumo de tales sustancias. Una vez más surge el planteamiento sobre las implicaciones de la automatización del control de estos sistemas en los aspectos económicos y ambientales. El mantener la eficiencia del proceso y disminuir el consumo de sustancias químicas, con seguridad incidirá positivamente en estos aspectos.
49
Capítulo II Metodología
Con el propósito de cuantificar las implicaciones técnicas, económicas y ambientales de la automatización del control en instalaciones propias del área de servicios industriales, se procedió de acuerdo a la metodología que se describe a continuación: Selección de los sistema o procesos para la ejecución del estudio: Se seleccionaron dos (2) sistemas de amplia aplicación en el sector industrial venezolano. Uno de ellos fue la Torre de Enfriamiento I 105 C ubicada en el área de servicios industriales de la Planta de Fertilizantes de Pequiven Morón, y el otro sistema, correspondiente al tratamiento de residuos industriales, fue la Planta de Efluentes para la eliminación de Hidrocarburos, ubicada en la Refinería de El Palito. Se seleccionaron los sistemas anteriores tomando en cuenta que fuera posible cubrir los siguientes aspectos: Posibilidades de conocer con cierto detalle, los principios de funcionamiento, características, parámetros involucrados en su operación y tratamiento químico aplicado en las unidades, así como el impacto de estos parámetros en las áreas técnica, económica, y ambiental. Facilidades instaladas para la automatización, para así, determinar en donde se podría mejorar el sistema y hacerlo más eficiente en todos lo sentidos. Factibilidad de la ejecución del proyecto desde el punto de vista económico y legal. Se revisó la existencia de restricciones por parte de los clientes y de la compañía Calgon Interamerican, C.A, para el suministro de información relacionada con precios, consumos, informes de laboratorios, existentes hasta el momento y luego de la puesta en marcha de la automatización. Aseguramiento de la continuidad del tratamiento químico y recolección de datos durante todo el periodo de estudio. 50
Identificación de los requerimientos de automatización para las unidades seleccionadas y desarrollo del sistema para el registro de datos: Con base a la revisión de los principios de operación de las unidades seleccionadas para la ejecución del estudio, se identificaron los parámetros más importantes en su operación y las características para el monitoreo y control de los mismos, cuyo registro debería realizarse durante todo el periodo de estudio (antes y después de la implementación de la automatización), ya sea mediante medios electrónicos o trascripción de informes de laboratorio. La ejecución de esta actividad permitirá, por una parte, identificar los requerimientos de automatización del tratamiento químico en cada proceso seleccionado y por otra, obtener los registros de información necesarios para la cuantificación objeto de este estudio. Con relación a esto último se prepararon tablas en hojas de cálculo de Excel para crear una base de datos compilada en un archivo electrónico para cada uno de los sistemas. Diseño y Ejecución de los proyectos de Automatización: Ambos proyectos fueron ejecutados, en el contexto del ejercicio profesional, con el apoyo de la empresa Process and Boilers, C.A. y con la supervisión del departamento de automatizaciones de Calgon Interamerican, C.A. Se preparan los proyectos de automatización para ambos sistemas, indicando los requerimientos de instrumentos y equipos necesarios para su instalación (se discrimina entre existentes que pudieran utilizarse en la implantación de la automatización planteada y los que hace falta adquirir). Se diseñan las lógicas de control, especificación de los instrumentos y equipos nuevos, se organiza la arquitectura del sistema de control (interconexiones a sistemas de supervisión y recolección de datos), se realizan los cómputos métricos, dibujos mecánicos y civiles, cálculos eléctricos, etc., es decir, todas las acciones que involucra un proyecto de automatización. Una vez obtenidas las autorizaciones correspondientes, se instalaron los sistemas de automatización y se pusieron en marcha, activándose el sistema de registro de datos previamente diseñado.
51
Recolección y Procesamiento de los datos: Una vez automatizado los sistemas, se comenzó el registro de datos. Es importante resaltar, que la información correspondiente a la operación de los sistemas antes de la automatización fue suministrada por los clientes. La misma pudo provenir de sistemas computarizados ya existentes o de los informes y libros de registro diario del laboratorio. En este último caso fue necesario su trascripción al archivo electrónico preparado para tal fin en el marco del presente trabajo. En la medida de lo posible los resultados se muestran en forma gráfica donde se representa el comportamiento de la variable de interés en el tiempo, marcando en cada caso el momento a partir del cual comienza a operar el sistema automatizado. El periodo de estudio para la torre de enfriamiento fue desde el 01 de Noviembre de 1998 hasta el 01 de Mayo del 2000. La fecha de la puesta en marcha del sistema de control del tratamiento químico fue el 01 de Julio de 1999. Para la planta de efluentes, el periodo de estudio fue desde el 01 de Enero de 1998 hasta el 12 de Agosto de 1999. la fecha de la puesta en marcha del sistema de control del tratamiento químico fue el 01 de Octubre de 1998. El procesamiento de toda la información recopilada, correspondiente a los periodos antes y después de la automatización de cada sistema, se realizó mediante la aplicación de técnicas similares a las utilizadas en el Control Estadístico de Procesos (SPC), las cuales están disponibles en el programa Excel y se resumen en: Análisis de Regresión para crear rectas que mejor se adapten al comportamiento de los datos obtenidos y así determinar su tendencia según su pendiente. Histogramas para determinar la efectividad del control sobre los parámetros, tomando como rangos o intervalos los limites de la ventana de control de cada parámetro, es decir: 1) menor del limite inferior (LCL), 2) entre el límite inferior y superior (LCL y UCL), y 3) mayor al límite superior (UCL). Ver punto I.5. Cálculos de promedios, puntos máximo y mínimos. Graficadoras del tipo X – Y para crear las gráficas de tendencias, y graficadoras de barras para los histogramas.
52
Capítulo III Presentación de los Resultados
En esta sección se presentan los resultados obtenidos durante la ejecución del presente trabajo. Teniendo en cuenta que uno de los objetivos es diseñar e implantar el sistema de automatización para el control de cada una de las unidades seleccionadas, se comienza por presentar el proceso para la ejecución de esta fase y luego, los resultados y análisis del registro de la operación del sistema una vez automatizado, haciendo énfasis en los aspectos de índole económico y ambiental. Esta secuencia de presentación de resultados se realizará por tipo de sistema estudiado.
III.1.
Diseño e Implantación del Sistema de Automatización para el Control de la Torre de Enfriamiento I 105 C - Área de Servicios Industriales de la Planta Pequiven Morón (Servifertil).
III.1.1. Descripción General del Sistema
La Torre de Enfriamiento ubicada en el área de servicios industriales de la Planta de Pequiven Morón, está construida en concreto y cuenta con diez (10) celdas de enfriamiento. Es del tipo recirculación abierta operando con un caudal de recirculación en el orden de 18.000 m3/h y de agua de aportación, 9.900 m3/día. El gradiente de temperatura en la torre es aproximadamente 12 °C. En su diseño original la torre fue construida con una sola línea de agua de aportación (Línea I 106) proveniente la planta de potabilización de aguas (I 106). Con el paso del tiempo y con el objetivo de reducir costos de operación de la planta I 106, Pequiven emprendió un proyecto para recuperar las aguas servidas de la población de Morón, tratarlas y finalmente usarla como agua de aportación a la torre. A esta planta se le llamó Planta de Agua Terciaria, la 53
cual tiene una capacidad de producción de 150 l / s. Aun cuando la calidad del agua producida por esta planta, puede considerarse inferior (presencia de organismos y otros materiales orgánicos) a la producida en la Planta I 106, se considera apta para su uso en el sistema de enfriamiento. Una vez enfriada el agua a 32°C, se recoge en la piscina de agua fría, para ser enviada por bombeo, a los intercambiadores de calor de las plantas de Urea y Amoniaco. El agua caliente (42°C) proveniente de los intercambiadores de calor ubicados en el proceso de producción de Amoniaco y Urea se recoge en la piscina de agua caliente. Allí se recircula el 10% del volumen de agua contenido en esta piscina, haciéndola pasar por cuatros filtros laterales, para eliminar ciertas cantidades de sólidos. A su vez, el agua se envía a la torre de enfriamiento para bajar su temperatura a 32°C, se recoge en la piscina de agua fría y se envía nuevamente a los intercambiadores de calor ubicados en las plantas de Urea y amoniaco, cerrándose el ciclo. Ver Figura 3.1. La torre de enfriamiento cuenta con seis (6) purgas de fondo las cuales están normalmente cerradas y solo se usa para descargar el lodo depositados en el fondo. También cuenta con una línea de purga continua (φ =2 pulg.) ajustada a través de una válvula manual. Esta válvula ayuda a mantener los sólidos disueltos totales medidos a través de la conductividad del agua, dentro de los rangos requeridos y por ende los ciclos de concentración de la torre. Para mantener las características físicas, químicas y biológicas del agua en niveles tales que no cause problemas en el sistema de tuberías y equipos asociados al sistema de enfriamiento, se aplica un tratamiento químico2, el cual consiste en la dosificación de seis (6) tipos de sustancias químicas, cinco (5) de ellas se dosifican en la piscina de agua fría a presión atmosférica el restante, en la línea de agua fría a una presión de 145 psig.
2
El tratamiento aplicado fue seleccionado entre CALGON INTERAMERICAN y PEQUIVEN antes de plantear el sistema de control y su revisión escapa a los objetivos de este trabajo.
54
Notas: Torre I 105 C
Aportación Planta I 106 Aportación Planta Terciaria
1. Los químicos sin bombas eran trasegados con baldes.
Figura 3.1. DTI Torre de Enfriamiento I 105 C sin Tratamiento Químico Automatizado.
Piscina de Agua Fría
Bomba de Recirculación
Inhibidor de Corrosión
Intercambiadores de Urea
Intercambiadores de Amoniaco
Dispersante de Sólidos
Cupones de Corrosión
Filtros Laterales
Piscina de Agua Caliente
Dispersante Orgánico
Bomba de Recirculación
Bomba de Recirculación Lateral
Microbicida Purga Continua
Soda
Generador de Dióxido de Cloro
Todas las bombas descargan a la piscina de agua fría
Cloro Gas
SIZE
FIGURA
A
3.1.
PAGINA #
REV
55
0
55
El tipo de sustancia dosificada y su función se presenta a continuación3: Biocida y Dióxido de Cloro: Su objetivo es eliminar los microorganismos presentes en el agua de enfriamiento. Las formaciones microbiológicas y crecimientos de algas en el sistema generan ensuciamiento o incrustaciones y con el tiempo, corrosión por ensuciamiento en todos los equipos y tuberías que componen el sistema de enfriamiento. Inhibidor de Corrosión e Incrustaciones: Controla la tendencia del agua a promover la corrosión y formación de depósitos e incrustaciones en las tuberías y equipos del sistema, como consecuencia de la presencia de minerales disueltos y suspendidos. Soda: Se aplica para controlar el pH del agua de la torre por dos razones: Evitar la precipitación acelerada de los minerales que provocan el incrustamiento y depósitos, permitiendo que el tratamiento sea mucho más eficiente. El agua de la torre se contamina con amoniaco durante su recorrido, provocando la caída del pH. Dispersante orgánico: Aumenta la efectividad del biocida y otros desinfectantes (cloro) en el control de los crecimientos biológicos en el sistema de enfriamiento. Dispersante de sólidos suspendidos: Su objetivo es evitar que los minerales contenidos en el agua se combinen para formar precipitados promotores de la formación de depósitos e incrustaciones en el sistema.
En la Tabla 3.1 se resumen las cantidades requeridas de cada una de estas sustancias y su forma de dosificación, en el caso del sistema de enfriamiento objeto de estudio en el presente trabajo. 3
La empresa promotora de este proyecto, por motivos de seguridad, solicitó que no se divulgará los verdaderos nombres de los
56
Tabla 3.1. Tipos de Sustancias Químicas Utilizadas en el Tratamiento del Agua de la Torre de Enfriamiento I 105 C. Cantidades Requeridas y Forma de Dosificación.
Tipo de Dosificación
Cantidad Requerida Estimada
Inhibidor de Corrosión e Incrustaciones
Continua
4 LPH
Biocida
Choque
Soda Dispersante de Sólidos Suspendidos
Continua
100 L Cada 21 días 8 LPH
Continua
2 LPH
Sustancia Química
Dispersante Orgánico
Choque
Generador de Bióxido de Cloro
Choque
12 L Cada 21 días 90 LPD
LPH = Litros por hora. LPD = Litros por día.
En el caso de dosificación continua, el flujo de solución del agente se ajusta a medida que las características del agua cambian., mientras que cuando se trata de dosificación por choques, la cantidad de sustancia química se agrega al sistema en intervalos de tiempo programados con anticipación. Es importante recordar que la dosificación de sustancias requeridas para el tratamiento del agua están condicionadas por los cantidades y características del agua recirculada y descargada del sistema. Es por ello que uno de los parámetro más importantes en la fijación del tratamiento es la determinación en todas las corrientes de la conductividad específica del agua como medida indirecta del contenido de sólidos disueltos. Es así como por ejemplo, cuando la lectura de la conductividad en el agua de recirculación supera los valores de control preestablecidos, se abre la válvula que controla el flujo de la purga continua, permitiendo la descarga de agua del sistema hacia las plantas de efluentes. Esta acción unida a la entrada de agua de reposición permite reducir el contenido de sólidos en el agua circulante en la torre, hasta los niveles requeridos para que las sustancias químicas actúen eficientemente.
químicos y su formulación, ya que es considerada información clasificada que pudiera caer en manos de la competencia
57
Bajo las condiciones de tratamiento y operación establecidas, se pretende entre otros, lograr una velocidad de corrosión menor a 5 mpy (milésimas de pulgadas por año) en todas las partes metálicas del sistema. El seguimiento de este parámetro se realiza mediante la colocación de los llamados Cupones de Corrosión, testigos finales de la eficiencia del tratamiento, ubicados en la línea de agua de recirculación para su muestreo. Cabe resaltar que antes de la automatización, algunas sustancias químicas eran agregadas con baldes y otras con bombas dosificadoras colocadas a una dosis continua promedio esperada en el mes. Esta situación hace pensar en una alta probabilidad de consumo excesivos de sustancias químicas, descontrol en las características físicas, químicas y biológicas del agua en el sistema, entre otros, que pudiera ocasionar problemas de operación en el sistema con las consecuentes implicaciones técnicas, económicas y ambientales El diagrama de tuberías e instrumentación del sistema (DTI) mostrando el proceso de enfriamiento, los equipos de dosificación así como los puntos de dosificación, se presenta en la Figura 3.1. Esta información unida a las inspecciones realizadas en el sistema, señalan que el mismo no cuenta con ninguna facilidad que se pudiera utilizar en la automatización. Por tal razón se requiere la instalación de toda la instrumentación necesaria y equipos de control.
III.1.2. Parámetros de Registro y/o Control Seleccionados. A los efectos del presente trabajo y teniendo en cuenta los principios básicos de operación del sistema de enfriamiento en consideración, los parámetros que requieren registro y control se agruparon en tres grandes categorías según estén asociados a : Agua de aportación. Agua del sistema o agua de la torre. Otros Parámetros relacionados a los costos del tratamiento y del proyecto de automatización. 58
A su vez, estos parámetros, fueron clasificados según el origen o fuente de donde se obtuvieron como se muestra en la Tabla 3.2. donde se incluye además el rango de control dentro del sistema.
Los parámetros catalogados como “Campo” se obtuvieron a través de un instrumento en línea, ya sea un transmisor de flujo, un analizador de conductividad o de pH. Estos parámetros fueron almacenados de forma electrónica por el sistema de control. Los
catalogados como “Lab.” se
obtuvieron de los informes de laboratorio que realiza el personal de turno del cliente, y los calificados como “Informática” se obtuvieron de sistema computarizados, programas administrativos SAP, EXCALIBUR, SAINT, etc.
Es importante destacar que aun cuando se realizó el registro de todos los parámetros señalados anteriormente, sólo serán objeto de control los agrupados en la categoría agua de la torre. La razón para ello se resume en los siguientes términos: si se automatiza el tratamiento químico de las aguas de enfriamiento, es decir, se logra una mejor eficiencia en la dosificación de los químicos, se podrá mantener la velocidad de corrosión en el rango de control (menor a 5 mpy), así varíe la calidad de agua de aportación. Esto se traducirá en una disminución de los consumos de sustancias químicas, menores niveles de contaminación en las aguas de descarga y menor costo del tratamiento.
59
Tabla 3.2. Parámetros que Requieren Registro y/o Control en la Torre de Enfriamiento I 105 C Parámetros del agua de aportación Conductividad del agua Planta Terciaria Conductividad del agua Planta I 106 Cupón del agua Planta I106 (mpy) Flujo de aportación Planta Terciaria Flujo de aportación Planta I 106 Parámetros del agua de la Torre Conductividad del agua de recirculación pH del agua de recirculación Residual (ppm) del inhibidor de corrosión e incrustaciones Residual (ppm) del dispersante de sólidos suspendidos Análisis de los cupones de corrosión (mpa) de recirculación Ciclos de concentración
Otros Parámetros
Campo
Lab.
Informática
Rango de control (min. - max.)
X
NA
NA
X
NA
NA
NA
NA
X
NA
NA
X
NA
NA
X
Campo
Lab.
Informática
X X
Rango de control (min. - max.) 800 1200 uMhos / cm uMhos / cm 7 8.5
X
25 ppm
35 ppm
X
5 ppm
8 ppm
X
NA
5 mpy
4.5
6.5
X
Campo
Lab.
Consumo de los productos Costos del tratamiento Costo del proyecto de automatización NA = No aplica. mpy = Milésimas de pulgadas por año.
X X
Rango de control (min. - max.) NA NA NA NA
X
NA
Informática
NA
ppm = Partes por millón.
Para evidenciar la premisa anteriormente expuesta, se requiere el registro de todos los parámetros, ya que ello permitirá, entre otros: Realizar la automatización. Descartar que el mejoramiento del tratamiento no fue influenciada por un mejoramiento del agua de aportación. Determinar los impactos económicos y ambientales que implica la 60
automatización del sistema. III.1.3. Alcances del Sistema de Control Desarrollado
El sistema de control desarrollado pretende: Automatizar la inyección de todas las sustancias químicas requeridas para el tratamiento con base a los parámetros de proceso accesibles (los incluidos en la Tabla 3.2.). Mejorar el trasiego de los productos, con la construcción de patines o bases y sistema de alimentación. Especificar e instalar, donde aplique, el sistema de control (PLC o Controlador Lógico Programable) adecuado, con sus gabinetes, pulsadores de arranque y parada, así como selectores de colocación en automático y manual. Especificaciones e instalación de todos los trasmisores, sensores, interruptores, válvulas, bombas, tanques, etc. que requiera el proyecto. Diseño y construcción de casetas para el resguardo de las bombas y almacenamiento de las sustancias químicas. Instalación de todas las tuberías para alimentación de sustancias químicas. Instalación de todas las canalizaciones eléctricas e instrumentos. Instalación de los registradores electrónicos de los parámetros de proceso para su posterior aplicación en los estudios SPC (Control Estadístico de Proceso). Es importante aclarar que también se cubrieron todos los aspectos relacionados con cómputos métricos, materiales de instalación, aspectos de la puesta en marcha y entrenamientos, cálculos eléctricos, así como el detalle 61
de lo involucrado en las lógicas misceláneas (alarmas, permisivos, etc.). Sin embargo, no se presentan en esta oportunidad por considerar que carecen de relevancia a los objetivos de esta presentación. Debe recordarse que la ejecución del proyecto constituye una obra contratada y ejecutada en el marco de la prestación de servicios profesionales para el sector industrial venezolano, en consecuencia, el proyecto también incluyó la etapa de ajuste, puesta en marcha y entrenamiento de todos los involucrados en la operación del sistema, entregándosele al cliente, manuales de operación y mantenimiento, planos de instalación, diagramas de lazos, lógicas de control, etc. III.1.4. Lógicas de Control para la Dosificación de Sustancias Químicas para el Acondicionamiento del agua de la Torre de Enfriamiento I 105 C Con base al tipo de dosificación requerido para las diferentes sustancias químicas y corrientes a controlar (ver Tabla 3.1.) y las características de los sistemas de control disponibles presentadas en la sección correspondiente al marco teórico de este trabajo, se decidió preparar lógicas de control agrupadas de la siguiente manera: Lógica de control para sustancias químicas de dosificación continua. Ellas son el inhibidor de corrosión y el dispersante de sólidos suspendidos. Lógica de control para sustancias químicas de dosificación por choque: microbicida, dióxido de cloro y dispersante orgánico. Lógica para el control de pH. La sustancia química involucrada para este control es la soda. Lógica para el control de la purga continua, mediante el control de la apertura y cierre de la válvula de la purga continua. Lógicas de control para sustancias químicas de dosificación continua: Inhibidor de corrosión e incrustación y dispersante de sólidos suspendidos. La dosificación de estas sustancias se determinó con base a la siguiente 62
expresión:
Dosis
=
K * F * Cte C
donde: Dosis K F C Cte.
Cantidad de sustancia química en litros por hora (LPH) que se requiere según las condiciones de flujo de aportación (F) y los ciclos de concentración (C) del sistema. Concentración en ppm de producto deseado en el sistema. Es el flujo de agua de aportación en litros por hora (LPH). . Ciclos de concentración de la torre (parámetro adimensional). Constante para la conversión de unidades.
El flujo de agua de aportación (F) de la torre de enfriamiento es:
F = Flujo
terciaria
+ Flujo
I 106
donde: FTerciaria FI106
Flujo de agua de aportación en litros por hora (LPH) proveniente de la Planta de Aguas Terciaria. Flujo de agua de aportación en litros por hora (LPH) proveniente de la Planta I106.
Los ciclos de concentración (C) de la torre de enfriamiento son calculados de la siguiente forma:
C=
Cond recirculac ión Cond recirculac ión = Fterciaria * Cond Terciaria + FI 106 * Cond I 106 Cond Aportación F
Donde: Cond recirculación Conductividad Específica del agua de la torre, µmhos / cm Condaportación
Conductividad Específica del agua de aportación, µmhos / cm.
Como la conductividad del agua de aportación está compuesta por dos tipos de agua, su calculó se basa en un promedio ponderado según el peso de aportación de cada una, como puede verse en la ecuación anterior.
63
El tipo de control seleccionado fue un lazo de control abierto, ya que no se tiene la medición en línea de la variable de proceso a controlar, la cual corresponde a la cantidad, expresada en ppm, de producto en el sistema (K). Como no existe un elemento sensor que puede determinar en línea este tipo de variable, ya que son análisis químicos de laboratorios muy específicos, lo único que se puede hacer es realizar el calculo indirecto de cuanto producto (LPH) requiere el sistema en todo momento y así ajustar la bomba en tiempo real. Para lograr este lazo se instalaron los siguientes instrumentos y equipos: Transmisores de flujo, uno en cada línea de agua de aportación. Los trasmisores seleccionados fueron uno tipo turbina y otro ultrasónico, suministrados por TBI Bailey y sus especificaciones corresponden a la conexión a proceso donde serian instalados, características del flujo y señales requerida hacia el PLC.
Bombas dosificadoras con capacidad de ajuste proporcional y tanques correspondientes a cada tipo de sustancia química. Analizadores de conductividad en línea de ambas aguas de aportación y del agua de recirculación de la torre. Lógica para el control de pH: Dosificación de SODA. Para la dosificación de soda o control de pH, se creó un lazo de control PID, teniendo como valor de pH de referencia 7.6 (el valor central del rango entre 7 y 8.5). La variable de proceso es el valor del pH en el agua de recirculación y la variable de manipulación, es la bomba dosificadora, la cual se lleva de 0% a 100% de su máxima capacidad, según la respuesta del controlador. El resto de los parámetros de configuración del controlador PID se ajustaron en campo durante la puesta en marcha, por ensayo y error según el método de la curva de respuesta del proceso. Para ello se siguieron los siguientes pasos: 64
Con el control en manual, se paró la dosificación de soda y se dejó que el sistema se estabilizara un valor de pH. Se colocó la salida del controlador en la posición que normalmente se tiene estimada va a trabajar. (LPH de dosis de soda estimada) Se dejó que el sistema alcanzara el nuevo valor de pH. Se registró el valor de pH en todo momento, obteniéndose la gráfica de respuesta del sistema antes y después del cambio. Se calcularon los parámetros del control PID según las formulas del método.
Luego se realizaron ajustes pequeños y se usaron otras facilidades del bloque de control PID del PLC. Para lograr este control se instaló un analizador de pH en línea, para muestrear el agua de recirculación de la torre. El transmisor de pH es suministrado por TBI Bailey. Lógica para sustancias químicas de dosificación por Choques: Microbicida, dióxido de cloro y dispersante orgánico. Esta forma de dosificación implica que la bomba para el suministro del agente químico se activa cada cierto tiempo (en el orden de días) en determinadas horas. Es decir se dosifica según un horario preestablecido, la cantidad requerida. Estas bombas se gradúan para que suministren su mayor capacidad en el momento de la activación. En el PLC se programa cual es la capacidad real y la dosis requerida para que éste, con base a esos datos, se calcula el tiempo que debe permanecer activa la bomba para dosificar el volumen deseado (introducido por el operador). Un ejemplo: 65
Si la dosis es de 90 l, y la capacidad máxima real de la bomba es de 200 LPH, el PLC, al activar la bomba, se activa por 27 minutos. Tal determinación se realiza aplicando la siguiente expresión:
Tiempo
=
L deseado * 60 LPH max
donde: Tiempo
Es el tiempo en minutos que debe permanecer la bomba activada
L deseado
Es el valor de referencia en Litros introducido por el operador
LPH max
Son los litros por hora máximo que suministra la bomba determinado en campo
Como se comentó anteriormente, en el PLC (Controlador Lógico Programable), el intervalo de activación de la bomba se introduce en el PLC así como la hora de la activación de la bomba. Esto es simplemente un contador que se incrementa cada día. Cuando el valor del contador es igual al números de días introducido por el operador, el PLC activa la bomba en la hora indicada. Para lograr este lazo sólo se instalaron las bombas y tanques, ya que el resto es virtual, es decir solo bastaba una simple programación en el PLC para realizar los choque en base a la fecha, hora y dosis deseada. Lógica para el control de la purga continua: Control de la apertura y cierre de la válvula de la purga continua. La válvula de purga continua es una válvula solenoide de 2” con falla cerrada, activada con 110 VAC. El control de la purga continua es un control Todo o Nada (ON OFF) el cual se realiza con base a la
medida de
conductividad específica en el agua de recirculación de la torre. Es decir:
Si Cond recirculac ión > SP + DB entonces Abrir Válvula (Aplicar 110 VAC) Si Cond recirculac ión < SP − DB entonces Cerrar Válvula (Desenergi zar) 66
donde: DB
“Dead Band” en ingles, el cual es la banda muerta del lazo para evitar oscilaciones frecuente y daño a la válvula.
SP
“Set Point” en ingles, el cual es el valor de referencia o deseado de conductividad en el sistema.
Cond recirculación Conductividad específica en el agua de recirculación Claro está que a todas estas fórmulas se les hace su escalamiento dentro del PLC para llevarlo al lazo común de 4 – 20 mA, o que es lo mismo decir de 0 a 100%. Para lograr este lazo se ha instalado una válvula solenoide en la línea de purga continua. La lectura de la conductividad en el agua de recirculación se obtiene del mismo instrumento instalado para el control del inhibidor de corrosión y dispersante de sólidos suspendidos. La Figura 3.2., muestra el DTI del sistema de automatización para la torre de enfriamiento. Allí se muestran los instrumentos colocados para lograr la automatización, así como su relación en cada una de las lógicas de control. En la Tabla 3.3. se muestran las características más resaltantes de los instrumentos instalados para automatización propuesta
Tabla 3.3. Carácteristicas de los Instrumentos Seleccionado para la Automatización de la Dosificación de Sustanias Químicas en la Torre de Enfriamiento I 105 C Instrumento Analizador de conductividad Analizador de conductividad Analizador de conductividad Analizador de pH Transmisor de flujo Trasmisor de flujo
Servicio
Tipo
Salida
Agua Terciaria
2 hilos
4 – 20 mA
Agua I 106
2 hilos
4 – 20 mA
Agua de la torre
2 hilos
4 – 20 mA
Agua de la torre Agua I 106
2 - hilos 2 hilos Ultrasónico. 110 VAC con 4-20 mA
4 – 20 mA 4 – 20 mA
Agua Terciaria
4 – 20 mA
67
Como se puede observar todos los instrumentos son de salida 4 – 20 mA, considerado una condición estándar para los lazos de instrumentación en la mayoría de las aplicaciones industriales. Es importante destacar que el error de medición en todos los instrumentos seleccionados está en el orden del 1%, valor aceptable en el mercado de instrumentos de campo para la industria y muy económicos. Estas especificaciones satisfacen las necesidades del proyecto ya que el error no es significativo para el orden de magnitud de la lectura que se desea realizar. En la Figura 3.3. se muestra la arquitectura final del sistema de control propuesto. Esta arquitectura presenta el PLC comunicado a un registrador local para el análisis de los datos a través de un computador. Por otro parte tiene la facilidad de interconectarse a través de la red de campo del cliente (El PLC habla el mismo protocolo de comunicación de red que los sistemas existente en la planta del cliente) para llevar todo los sucesos del sistema al sistema supervisorio del cliente. III.1.5. Costos del Sistema de Automatización Planteado y del Tratamiento Químico
La inversión requerida para la implantación del sistema para el control automatizado del tratamiento químico al agua de la torre de enfriamiento I 105 C se estima en US$ 76.000. La discriminación de costos por concepto de adquisición de equipos, materiales y ejecución del proyecto, se presenta en la Tabla 3.4. Los costos asociados al consumo de sustancias químicas para el tratamiento, se muestran en la Tabla 3.5. y corresponden al monto erogado por concepto de consumo de sustancias para el tratamiento antes de implantar el sistema de automatización, el cual se determinó en US$ 321.600 anuales.
68
uS
I 2
FIT 2
AIT 2
Notas: Torre I 105 C
Aportación Planta I 106
I 1
Lógica miscelaneas (Alarmas, permisivos, etc.).
I 2
Figura 3.2. DTI Torre de Enfriamiento I 105 C con Tratamiento Químico Automatizado.
Aportación Planta Terciaria FIT 1
AIT 1
I 2
uS ZSH 1
I 2
I 3
Lógica de control de pH.
I 4
Lógica de control de purga continua.
I 5
Lógica de control para los químicos por choques.
Piscina de Agua Fría
I 2
Intercambiadores de Urea
Bomba de Recirculación
LSL 1
Inhibidor de Corrosión
uS
I 2
I 2
Intercambiadores de Amoniaco
AIT 3
I 3
AIT 4
pH LSL 2
Dispersante de Sólidos
I 5 Cupones de Corrosión
I 1
Filtros Laterales
Piscina de Agua Caliente
LSL 3
Dispersante Orgánico
I 5
Bomba de Recirculación
Bomba de Recirculación Lateral
I 4 LSL 4
Microbicida I 3
LSL 5
LSL 6
Soda
Generador de Dióxido de Cloro
I 5
Purga Continua
Todas las bombas descargan a la piscina de agua fría
Cloro Gas
SIZE
FIGURA
PAGINA #
A
3.2.
69
REV
690
Tabla 3.4. Costos Detallados del Proyecto de Automatización de la Torre de Enfriamiento I 105C. EQUIPOS
CANTIDAD US$ / UNIDAD US$ TOTAL
FABRICANTE
3 1 1
2.000 2.500 1.000
6.000 2.500 1.000
TBI BAYLEI TBI BAYLEI GEORGE FISHER +GF+
1
5.000
5.000
GEORGE FISHER +GF+
1 6 6 1 6
1.500 1.500 300 400 500
1.500 9.000 1.800 400 3.000
ASCO PULSAFEEDER PULSAFEEDER GEMS PALEPLASTIC
PLC SLC 503 (CON SUS TARJETAS DE I/O, CPU, GABINETE, ACCESORIOS)
1
8.000
8.000
ALLEN BRADLEY
REGISTRADOR CLORINADOR
1 1
2.500 3.000
2.500 3.000
IHM (INTERFACE HOMBRE MAQUINA)
1
1.000
1.000
DATATAKER JASCO ALLEN BRADLEY DTAM MICRO
ANALIZADORES DE CONDUCTIVIDAD
ANALIZADORES DE PH TRANSMISOR DE FLUJO DE TURBINA
TRANSMISOR DE FLUJO ULTRASONICO VALVULA SOLENOIDE BOMBAS DOSIFICADORAS INTERRUPTORES DE BAJO NIVEL INTERRUPTOR DE FIN DE CARRERA TANQUES
SUB TOTAL EQUIPOS
44.700
MATERIALES CONSTRUCCIÓN CIVIL CONSTRUCCIONES MECANICAS (BASES TANQUES) CONSTRUCCIÓN CASETA DE QUÍMICOS CANALIZACIONES ELECTRICAS E INSTRUMENTOS TUBERIAS DE QUIMICOS CABLES ELETRICOS CABLES DE INSTRUMENTOS ACCESORIOS CONTACTORES SUB TOTAL MATERIALES
3.000 2.000 4.000 2.000 1.500 2.000 1.000 500 300 16.300
EJECUCIÓN INGENIERIA DETALLES
2.000
CONTRATACIONES (SUELDOS Y MANUTENCIÓN)
8.000
EMISION DE MANUALES, PLANOS, Y OTROS DOCUMENTOS
1.000
ENTRENEMIENTO FLETES
3.000 1.000
SUB TOTAL EJECUCIÓN
15.000
TOTAL DEL PROYECTO
76.000
70
Tabla 3.5. Costos por Concepto de Consumo de Sustancias Químicas para el Tratamiento del Agua de la Torre de Enfriamiento I 105C previo a la Implantación del Sistema de Automatización Planteado y del Tratamiento Químico.
QUÍMICO
US$ / KG KG / MES KG / AÑO US$ / MES US$ / AÑO
Inhibidor de corrosión e incrustaciones Dispersante de sólidos suspendidos Dispersante Orgánico Microbicida Generador de Bióxido de Cloro TOTALES
2,80 4,20 3,30 4,60 2,50
3.500 1.500 700 900 1.700
42.000 18.000 8.400 10.800 20.400
9.800 6.300 2.310 4.140 4.250
117.600 75.600 27.720 49.680 51.000
8.300
99.600
26.800
321.600
III.1.6. Cuantificación y Evaluación de las implicaciones Técnicas, Económicas y Ambientales derivadas de la Automatización Planteada
A continuación se presenta los resultados obtenidos en el análisis de los aspectos técnicos, económicos y ambientales asociados a la automatización planteada para la Torre de Enfriamiento I 105 C. Los datos utilizados para ello corresponden a los obtenidos durante el periodo comprendido entre el 01 de Noviembre de 1998 al 01 de Mayo del año 2000. En la medida de lo posible los resultados se muestran en forma gráfica donde se representa el comportamiento de la variable de interés en el tiempo, marcando en cada caso el momento a partir del cual comienza a operar el sistema automatizado, Julio de 1999. Aspectos técnicos: Para considerar este tipo de aspectos se analiza el comportamiento temporal de las características del agua de aportación y agua en la torre de enfriamiento ya que de ellas depende la posibilidad de ocurrencia de problemas de operación y mantenimiento en la torre de enfriamiento.
71
Figura 3.3. Arquitectura del Sistema de Control para La Torre de Enfriamiento I 105 C. Computador para correr los programas de supervisión, control, y registros de tendencia e históricos para SPC.
Nivel Superior del CUARTO DE CONTROL
Computador. IHM REMOTA RED DH +
PLC TORRE I 105 C
IHM Local Laptop para programación, supervisión y mantenimiento local. (A futuro puede ser un PC)
CUARTO DE OPERADOR
Registrador Electrónico
LAPTOP
Otros sistemas de control que se puden integrarse a futuro
Nivel Campo. Borneras y Botonera
CASETA AREA DE QUIMICO
Todos los lazos de control analógicos son de 4 - 20 mA
Todos los lazos de control digitales son de 110 vac
s
s
SIZE
FIGURA
A
3.3.
PAGINA #
72
REV
72 0
Previo a la presentación de los resultados obtenidos se debe señalar que durante el periodo de observación no hubo aporte de agua proveniente de la Planta de Aguas Terciarias ya que presentó graves problemas operacionales y el cliente decidió colocarla fuera de servicio. En consecuencia toda el agua de aportación a la torre provino de la Planta de Agua Potable. Esta situación no afectó el desempeño del sistema de automatización propuesto. A los efectos de revisar la variabilidad de las características de mayor interés en el agua de aportación a la torre de enfriamiento se prepararon las Gráficas 3.1. y 3.2. correspondientes al comportamiento de la conductividad específica del agua de aportación y su tendencia corrosiva, respectivamente. La Gráfica 3.1. muestra que la conductividad del agua de aportación se mantuvo, durante todo el período de observación, en un rango de variación bastante estrecho y con valores relativamente bajos (120 – 250 µmho/cm), asociada a una marcada tendencia corrosiva como lo muestra la Gráfica 3.2. Esta situación implica, por una parte que se puede proponer un número de ciclos de concentración relativamente alto sin que se sobrepasen los límites aceptables de conductividad del agua en la torre, incluso con la necesaria adición de inhibidores de la corrosión, y por otra, que las variaciones en la dosificación de sustancias químicas para el acondicionamiento de las características del agua en la torre, estarán poco afectadas por variaciones bruscas en las características del agua fresca o de aportación, con lo cual se confirma, en parte, la premisa de que es suficiente centrar la atención en el control de las características del agua en la torre.
73
Conductividad de la Planta I 106 Aportación de Agua Potable 300,00
uMhos / cm
250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 01/05/00
01/04/00
01/03/00
01/02/00
01/01/00
01/12/99
01/11/99
01/10/99
01/09/99
01/08/99
01/07/99
01/06/99
01/05/99
01/04/99
01/03/99
01/02/99
01/01/99
01/12/98
01/11/98
0,00
Fecha
Gráfica 3.1. Comportamiento de la Condcutividad Específica del Agua de Aportación (Planta de Agua Potable I 106)
Corrosión de la Planta I 106 Aportación de Agua Potable 4,00 3,50 3,00 MPY
2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul- Ago- Sep- Oct- Nov- Dic- Ene- Feb- Mar98 98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 00 00 00 Fecha
Gráfica 3.2. Comportamiento de las Características Corrosivas del Agua de Aportación (Planta de Agua Potable I 106) En la Gráfica 3.2., se observa una disminución y estabilización en la tendencia corrosiva del agua de aportación después de la automatización. 74
Debe recordarse que la estimación de estos efectos (Corrosión) se hace mediante la colocación de los llamados cupones de corrosión, los cuales constituyen un testigo de lo que, debido a este particular, está ocurriendo en el agua. Al revisar el comportamiento de la conductividad específica del agua en la torre de enfriamiento, se obtiene que antes de la puesta en marcha del sistema de automatización, el parámetro presentó variaciones significativas oscilando entre 300 y 1400 µmho/cm, presentando una desviación estándar de 207.24, probablemente consecuencia de las deficiencias en el control de la cantidad de agua de aportación y ciclos de concentración en la torre. Después de la automatización, la conductividad se estabiliza y se logra mantener en una buena proporción del tiempo (con una desviación estándar de 119,58) dentro del rango aceptable para la operación de la torres (entre 800 y 1200 µmho/cm) marcados en la Gráfica 3.3. por las líneas verde y violeta respectivamente. Conductividad del agua de La Torre I105C 1.600,00 1.400,00 uMhos / cm
1.200,00 1.000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 01/05/00
01/04/00
01/03/00
01/02/00
01/01/00
01/12/99
01/11/99
01/10/99
01/09/99
01/08/99
01/07/99
01/06/99
01/05/99
01/04/99
01/03/99
01/02/99
01/01/99
01/12/98
01/11/98
0,00
Fecha
Gráfica 3.3. Comportamiento de la Conductividad Específica del Agua en la Torre de Enfriamiento I 105C. Estos resultados señalan un funcionamiento satisfactorio del control automatizado de la conductividad del agua en la torre de enfriamiento, el cual es del tipo ON – OFF mediante una válvula solenoide en la línea de purga continua. Esta válvula se abre cuando la conductividad alcanza el valor de 1100 µmho/cm y se cierra cuando alcanza el valor de 900 µmho/cm., es 75
decir el control Todo o Nada (ON – OFF) opera con un valor de referencia de 1000 µmho/cm y la banda muerta es de 100 µmho/cm. El buen funcionamiento del sistema de control se verifica en el histograma de frecuencia preparado para esta variable (ver Gráfica 3.4.). Allí se observa que el porcentaje de mediciones incluidas en el rango que define la ventana de control aumentó de 67% a 94%, lo cual se acerca a lo que se considera un sistema totalmente controlado. Llama la atención la sensible disminución del porcentaje de valores por debajo del límite inferior del rango aceptable para la variable conductividad específica del agua en la torre de enfriamiento (de 30% de mediciones con una conductividad menor a 800 µmho/cm, se pasa a un 3% después de la puesta en marcha del sistema de automatización). Esta situación implica, entre otros, que el volumen de agua de aportación fue disminuido considerablemente y en consecuencia el efecto de dilución de esta corriente en el contenido de sólidos disuelto; principales responsables de la conductividad del agua; todo ello manteniendo el número de ciclos de concentración en un valor aceptable, es decir, entre 4,5 y 6,5. Las Gráficas 3.22. y 3.23. presentadas más adelante, confirman esta afirmación. Lo planteado anteriormente permite afirmar que con la implantación del lazo de control ON – OFF para la conductividad del agua en la torre de enfriamiento se contribuye a mantener el contenido de sólidos disueltos en esta corriente en valores aceptables, disminuir el consumo de agua de aportación o por lo menos evitar perdidas, evitar la descarga de sustancias
76
Comportamiento de la conductividad del agua de la Torre I 105C 94%
100% 90% 80% 67%
70% 60%
ANTES
50% 40% 30% 20% 10%
DESPUES 30%
3%
3%
3%
0% 1200 uMhos / cm
Gráfica 3.4. Histograma de Frecuencia – Conductividad Específica del Agua en la Torre de Enfriamiento I 105C.
químicas en exceso a través de la purga, y lo mas importante controlar los ciclos de concentración de la torre, sin comprometer la eficiencia del sistema de enfriamiento y su vida útil por deterioro de los materiales que la conforman. Otra de las variables controladas en el agua de la torre fue el pH, por su importancia en el sostenimiento del equilibrio químico y biológico en el sistema de enfriamiento. En el caso de esta variable, los límites de control se establecieron entre 7 y 8.5, con un valor de referencia cercano a 7,6 y para su automatización se utilizó un lazo de control PID. El comportamiento de esta variable a lo largo del período de observación se muestra en las Gráfica 3.5. y 3.6. Aun cuando el histograma de frecuencia (Gráfica 3.6.) muestra sólo una leve mejoría del comportamiento después de la automatización del control de la variable (el porcentaje de valores dentro de la ventana de control aumenta de 67% a 70%), la automatización logra una estabilización de las fluctuaciones del pH en el agua de la torre amortiguando la aparición de valores extremos, frecuentes en el periodo previo (Ver Gráfica 3.5.) 77
Por otro lado, la desviación estándar de las muestras antes y después de la automatización para esta variable pasó de 0.7 a 0.67 indicando nuevamente la leve mejoría anteriormente mencionada. Es conveniente señalar que el control de la variable no se llegó a estabilizar por completo, durante el periodo de observación. Esta situación se atribuye a que durante todo el periodo se presentaron problemas en el sistema de enfriamiento asociados a contaminaciones fuertes del agua con amoniaco proveniente de la planta de producción de esta sustancia en el Complejo Pequiven Morón. Como era de esperarse, esta causa externa provoca caídas bruscas en el pH del agua y en el intento por controlarlas, es usual obtener valores altos de pH, incluso fuera del rango aceptable para la operación del sistema de enfriamiento. Estas fluctuaciones del pH, por lo general están asociadas a dosificaciones excesivas del agente amortiguador, en este caso soda cáustica. Aun cuando el sistema de control automatizado debe ser capaz de manejar satisfactoriamente fluctuaciones brusca y frecuentes de la variable, en esta ocasión no se logra por las dificultades existentes para la entonación del sistema de control, la cual debe realizarse bajo condiciones normales de operación del proceso y no como tuvo que ser en este caso, bajo la afectación de una condición externa. Sin embargo, la disminución de la frecuencia de valores extremos de pH mejora la eficiencia en la dosificación de la soda y en consecuencia la reacción ante las alteraciones de la variable. Desde el punto de vista técnico, también interesa revisar el comportamiento de variables indicadoras del desempeño del sistema de dosificación de otros agentes químicos necesarios para el control de los problemas operacionales típicos de las torres de enfriamiento. En la medida que estas variables se mantengan en el rango especificado se puede suponer que se están previniendo efectivamente tales problemas. Las variables consideradas en esta oportunidad fueron los residuales de agente dispersante de sólidos suspendidos e inhibidor de corrosión e incrustaciones en el agua de la torre.
78
PH del agua de la Torre I 105C 11,00 10,00
pH
9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 01/05/00
01/04/00
01/03/00
01/02/00
01/01/00
01/12/99
01/11/99
01/10/99
01/09/99
01/08/99
01/07/99
01/06/99
01/05/99
01/04/99
01/03/99
01/02/99
01/01/99
01/12/98
01/11/98
4,00
Fecha
Gráfica 3.5. Comportamiento del pH en el Agua de la Torre de Enfriamiento I 105C. pH del agua de la Torre I 105C 80% 67%
70%
70%
60% 50% ANTES
40%
DESPUES
30% 14%
15%
18%
20%
15%
10% 0% 8.5
Gráfica 3.6. Histograma de Frecuencia – pH en el Agua de la Torre de Enfriamiento I 105C. El comportamiento de las variables señaladas se muestran en las gráficas 3.7. y 3.8. para el caso del agente dispersante de sólidos suspendidos y 3.9. y 3.10. para el caso del inhibidor de corrosión e incrustaciones. Para el control del residual de agente dispersante de sólidos suspendidos se utilizó un lazo de control abierto tipo proporcional (P), donde la referencia 79
ajustada se estableció en 6,5 ppm con limites superior en inferior en 5 y 8 ppm, respectivamente. Mientras el control de la dosificación de este agente fue manual (Ver Gráficas 3.7 y 3.8), el 25% de los valores estuvieron por debajo del límite inferior y 30% por encima del límite superior, esto se traduce en el primer caso, en dosificaciones insuficientes del agente y en el segundo, en dosificaciones excesivas lo cual coloca al sistema en situación de peligro, por posibilidades
de
formación
de
depósitos
e
incrustaciones
y
desencadenamientos de procesos corrosivos en el mismo. Es importante destacar que el control manual de este agente químico se dificulta debido a que la dosis aplicada es función del flujo de agua de aportación a su vez afectado directamente por la purga continua en la torre, la conductividad total del agua de aportación y la conductividad del agua de la torre. A partir del momento en que se pone en marcha el control automatizado de la dosificación del agente en cuestión, se observa un mejoramiento significativo en el comportamiento de la variable (55% de los datos se encuentran dentro de la ventana de control con una desviación estándar que pasó de 2.63 a 1.84) disminuyéndose adicionalmente el tiempo de aparición (permanencia) de los valores extremos. Aun cuando no se logra total control de la variable, debido posiblemente a problemas durante el periodo de calibración de los equipos, ajustes de los lazos de control o paradas del sistema, se puede afirmar que se logra una dosificación mas eficiente y precisa del agente químico, lo cual sin duda impactará positivamente los costos del tratamiento.
80
Residual del Dispersante de Sólidos Suspendidos 20,00
ppm
16,00 12,00 8,00 4,00
01/05/00
01/04/00
01/03/00
01/02/00
01/01/00
01/12/99
01/11/99
01/10/99
01/09/99
01/08/99
01/07/99
01/06/99
01/05/99
01/04/99
01/03/99
01/02/99
01/01/99
01/12/98
01/11/98
0,00
Fecha
Gráfica 3.7. Comportamiento de la Variable Residual Agente Dispersante de Sólidos Supendidos en el Agua de la Torre
Comportamie nto de l re sidula de l Dispe rsante de Sólidos Disue lto 60%
55% 46%
50% 40% 30%
30%
28%
25%
ANTES DESPUES
17% 20% 10% 0% < 5 ppm
Entre 5 y 8 ppm
> 8 ppm
Gráfica 3.8. Histograma de Frecuencia - Residual del Agente Dispersante de Sólidos Supendidos en el agua de la Torre.
81
Residula del Inhibidor de Corrosión e Incrustación 90,00 80,00 70,00
ppm
60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 01/05/00
01/04/00
01/03/00
01/02/00
01/01/00
01/12/99
01/11/99
01/10/99
01/09/99
01/08/99
01/07/99
01/06/99
01/05/99
01/04/99
01/03/99
01/02/99
01/01/99
01/12/98
01/11/98
0,00
Fecha
Gráfica 3.9. Comportamiento del Residual del Inhibidor de Corrosión e Incristación en el Agua de la Torre de Enfriamiento
Con respecto al comportamiento del residual del inhibidor de corrosión, se pueden hacer comentarios similares a los que se acaban de presentar. Nuevamente, aun cuando se logran mejoras significativas con la implantación del control automatizado de la dosificación de este agente químico, reflejado en un aumento de 32% a 51% de las mediciones en el rango de control establecido ( entre 25 y 35 ppm con una desviación estándar que pasó de 11.8 a 8.56), es necesario mejorar y revisar el proceso de ajuste del sistema de control instalado. Al igual que en el caso anterior la disminución de oportunidades con valores fuera de los límites de control favorece la preservación del sistema de enfriamiento así como la optimización del uso de sustancia química para el tratamiento del agua.
82
Comportamiento del resisdual del Inhibidor de Corrosión e Incrustaciones 60% 51% 50% 40%
40% 32% 30%
28%
26%
ANTES DESPUES
23%
20% 10% 0% < 25 ppm
Entre 25 y 35 ppm
> 35 ppm
Gráfica 3.10. Histograma de Frecuencia - Residual de Inhibidor de Corrosión e Incristación en el Agua de la Torre de Enfriamiento
Como una forma de evidenciar el beneficio relacionado con los aspectos técnicos, como consecuencia de la implantación del sistema de control automatizado, se consideró conveniente revisar el comportamiento de la tendencia corrosiva o incrustante del agua en la torre de enfriamiento, evaluada como se ha mencionado anteriormente, a través de la colocación, cada cierto tiempo, de cupones de corrosión cuya variación debe mantenerse estrictamente por debajo de 5 mpy (Milésimas de pulgadas pro año), para asegurar que el sistema tendrá la vida útil esperada, prestará un servicio adecuado y mas eficiente, así como que ocurrirán menos paradas por mantenimiento correctivos y fallas por rupturas de tubos y accidentes inesperados. La Gráfica 3.11. muestra que aun cuando se cumple la exigencia para este parámetro durante todo el periodo de observación, después de la automatización se logra estabilizar las variaciones de la variable lo cual refleja la eficiencia en el sistema de control del tratamiento.
83
Corrosión del agua de la Torre I 105C 6,00 5,00
MPY
4,00 3,00 2,00 1,00
03/08/99 17/08/99 31/08/99 14/09/99 28/09/99 12/10/99 26/10/99 09/11/99 23/11/99 07/12/99 21/12/99 04/01/00 18/01/00
02/02/99 16/02/99 02/03/99 16/03/99 30/03/99 13/04/99 27/04/99 11/05/99 25/05/99 08/06/99 22/06/99 06/07/99 20/07/99
0,00
Fecha
Gráfica 3.11. Comportamiento de las Características Corrosivas e Incrustantes del Agua de la Torre de Enfriamiento Aspectos Económicos: Con el objeto de evidenciar las implicaciones económicas del sistema de automatización implantado en la torre de enfriamiento I 105 C, se preparó, para cada una de las sustancias químicas aplicadas en el tratamiento para la adecuación del agua de la torre, las gráficas que muestran la variación del consumo de la sustancia al cierre del mes, expresada en kg/mes, a lo largo del periodo de observación (línea roja en la gráficas) así como los costos mensuales asociados expresados en US$/mes (línea azul en las gráficas). En ambos casos se traza la línea recta correspondiente al valor promedio antes y después de la puesta en marcha del sistema automatizado. También se prepararon graficas donde se muestran las tendencias del comportamiento de las variables seleccionadas, obtenidas por regresión lineal. En todos los casos, las variaciones observadas entre los periodos correspondientes a las etapas antes y después de la puesta en marcha del sistema automatizado para el control de la dosificación de las diferentes sustancias, serán indicativos de las incidencias de la automatización desde el punto de vista económico. Los resultados obtenidos se muestran en las Gráficas 3.12. al 3.21. y el resumen de los aspectos más resaltantes se presentan en la Tabla 3.6. 84
Tabla 3.6. Variaciones del Consumo de Sustancias Químicas Aplicadas en el Tratamiento del Agua en la Torre de Enfriamiento I 105 C y de los Costos Asociados
Agente Químico Inhibidor de Corrosión e incrustaciones Dispersante de Sólidos Suspendidos Dióxido de Cloro Microbicida Dispersante Orgánico Totales
Consumo Promedio Mensual (kg/mes) Antes de Después Variación la Aut. de la Aut. (%) 4.459 2.875 -36%
Costo Promedio Mensual (US$/mes) Antes de Después de Variación la Aut. la Aut. (%) 12.361 7.697 -38%
2.173
1.500
-31%
8.965
5.871
-35%
1.333 1.182 450 9.597
2.100 1.067 200 7.742
+58% -10% -56% -20%
3.369 5.237 1.495 31.427
4.968 4.246 583 23.365
+47% -19% -61% -26%
Los resultados muestran que, a excepción del dióxido de cloro, en todos los casos se logra una reducción significativa de los consumos promedios mensuales de sustancias químicas y por consiguiente en los costos por este concepto. Esto situación implica un impacto beneficioso en los costos del tratamiento del agua como consecuencia del uso racional de las sustancias químicas aplicadas, sin que se afecten negativamente las condiciones de operación del sistema, tal como se mostró en el aparte correspondiente a la discusión de los aspectos técnicos, presentada anteriormente. Aun cuando se considera que el comentario anterior resume los resultados obtenidos, es conveniente ahondar en algunos detalles que pueden ayudar a identificar las bondades del control automatizado implantado en la torre de enfriamiento I 105 C.
Por ejemplo en el caso del agente inhibidor de corrosión e incrustaciones (Ver Gráficas 3.12. y 3.13.) uno de los que se consume en mayor proporción, por las características del agua en la torre (marcada tendencia corrosiva), se observa que durante los primeros meses después de la automatización los consumos se mantienen en valores significativamente altos (en el orden de 4.000 kg/mes) pero, una vez estabilizado el proceso de acondicionamiento 85
del sistema de control, el consumo se reduce significativamente (menor a 3.000 kg/mes) y aun cuando la variación del consumo presenta fluctuaciones propias de este tipo de tratamiento, el rango de variación es mas estrecho y con tendencia a la baja.
Esta situación unida a la estabilización en el control de los procesos corrosivos en la torre, muestran una vez mas la conveniencia del control automatizado del proceso, se logran mantener las condiciones operacionales del sistema con menor consumo de sustancias químicas. Comentarios similares se pueden realizar con respecto al caso del agente dispersante de sólidos suspendidos (Ver Gráficas 3.14. y 3.15.)
Cuando se revisa el comportamiento del consumo y costo asociado correspondiente al caso del dióxido de cloro (Ver Gráficas 3.16. y 3.17.), se nota una tendencia inversa a las mostradas anteriormente. Tal situación refleja los riesgos que se corren con la dosificación manual y basada en criterios cualitativos. Para este caso se pudo comprobar que el operador responsable de la adición de esta sustancia, no lo hacía con la frecuencia requerida por falta de información objetiva y cuantitativa que le indicara tal necesidad y para ello utilizaba recipientes sin calibración. Llama la atención un valor extremo ocurrido para el mes de enero del año 2000, el cual se atribuye a un posible descontrol del sistema de control sin descartar una adquisición por parte del cliente para asegurar disponibilidad del producto en su planta por se inicio de año.
86
Gráfica del Consumo del Inhibidor de Corrosión e Incrustación y el costo asociado 20.000,00 18.000,00 16.000,00
US$ Y kG.
14.000,00 12.000,00 10.000,00 8.000,00 6.000,00 4.000,00 2.000,00 0,00 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May98 98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 00 00 00 00 00 Fecha US $ / MES
KG / MES
US$ / MES PRO.
KG / MES PRO.
Gráfica 3.12. Variación del Consumo y Costo Mensual del Producto Inhibidor de Corrosión e Iincristaciones
Gráfica de la tendencia del Consumo del Inhibidor de Corrosión e Incrustación y el costo asociado 20.000,00 18.000,00 16.000,00
US$ Y kG.
14.000,00 12.000,00 10.000,00 8.000,00 6.000,00 4.000,00 2.000,00 0,00 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov98 98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May99 00 00 00 00 00
Fecha US $ / MES
KG / MES
Lineal (US $ / MES)
Lineal (KG / MES)
Gráfica 3.13. Tendencias en el Consumo y Costo Mensual del Producto Inhibidor de Corrosión e Incrustaciones
87
Gráfica del Consumo del Dispersante de Sólidos y el costo asociado 12.000,00 10.000,00
US$ Y kG.
8.000,00 6.000,00 4.000,00 2.000,00 0,00 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov99 99 99 99 99 98 98 99 99 99 99 99
01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May99 00 00 00 00 00
Fecha US $ / MES
KG / MES
US$ / MES PRO.
KG / MES PRO.
Gráfica 3.14. Variación del Consumo y Costo Mensual del Producto Dispersante de Sólidos Supendidos. Gráfica de la tendencia del Consumo del Dispersante de Sólidos y el costo asociado 12.000,00 10.000,00
US$ Y kG.
8.000,00 6.000,00 4.000,00 2.000,00 0,00 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov98 98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May99 00 00 00 00 00
Fecha US $ / MES
KG / MES
Lineal (US $ / MES)
Lineal (KG / MES)
Gráfica 3.15. Tendencia en el Consumo y Costos del Producto Dispersante de Sólidos Suspendidos.
Los resultados obtenidos para el caso del agente biocida (Graficas 3.18. y 19.) y dispersante orgánico (Gráficas 3.20 y 3.21), reflejan una situación 88
similar a la que se acaba de presentar. Ambas sustancias son utilizadas como tratamiento preventivo a la aparición de crecimientos biológicos en la torre de enfriamiento y su consumo debe ser mínimo, si se toma en cuenta las características del agua de aportación (proveniente de la planta de agua potable). Si se observa el periodo previo a la automatización, se nota una dosificación excesiva de estas sustancias, lo que sin duda genera pérdida de sustancias químicas y alza en los costos de tratamiento.
En estos casos es importante destacar que la adquisición de las sustancias químicas es puntual y con el propósito de garantizar la disponibilidad en planta de las mismas, es por ello que se presentan los valores extremos en las respectivas gráficas. Aun cuando esto pudiera enmascarar los resultados, se nota que estos valores extremos tienden a disminuir a medida que se estabiliza el desempeño del sistema de control. Por otra parte se debe mencionar que no fue posible trazar el consumo de estas sustancias en los primeros meses de observación del proceso sin automatización, ya que no se dispuso de información que pudiera respaldar las posible situaciones ocurridas tales como no se dosificó el agente químico, por tanto no hubo necesidad de su adquisición
o se dosifico eventualmente utilizando el
inventario existente en planta. Debe tenerse en cuenta que la información utilizada para este análisis proviene básicamente de los registros de compras de sustancias químicas, suponiendo que ello corresponde a la reposición del inventario respectivo.
89
Gráfica del Consumo del Generador de Dioxido de Cloro y el costo asociado 10.000,00 9.000,00 8.000,00
US$ Y kG.
7.000,00 6.000,00 5.000,00 4.000,00 3.000,00 2.000,00 1.000,00 0,00 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov98 98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May99 00 00 00 00 00
Fecha US $ / MES
KG / MES
US$ / MES PRO.
KG / MES PRO.
Gráfica 3.16. Variación del Consumo y Costos del Producto Dióxido de Cloro.
Gráfica de la tendencia del Consumo del Generador de Dioxido de Cloro y el costo asociado 10.000,00 9.000,00 8.000,00
US$ Y kG.
7.000,00 6.000,00 5.000,00 4.000,00 3.000,00 2.000,00 1.000,00 0,00 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov98 98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May99 00 00 00 00 00
Fecha US $ / MES
KG / MES
Lineal (US $ / MES)
Lineal (KG / MES)
Gráfica 3.17. Tendencia del consumo y costos del producto generador de dióxido de cloro.
90
Gráfica del Consumo del Microbicida y el costo asociado 10.000,00 9.000,00 8.000,00
US$ Y kG.
7.000,00 6.000,00 5.000,00 4.000,00 3.000,00 2.000,00 1.000,00 0,00 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov98 98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May99 00 00 00 00 00
Fecha US $ / MES
KG / MES
US$ / MES PRO.
KG / MES PRO.
Gráfica 3.18. Variación del Consumo y Costos del producto Microbicida.
Gráfica de la tendencia del Consumo del Microbicida y el costo asociado 10.000,00 9.000,00 8.000,00
US$ Y kG.
7.000,00 6.000,00 5.000,00 4.000,00 3.000,00 2.000,00 1.000,00 0,00 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Nov- Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov98 98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May99 00 00 00 00 00
Fecha US $ / MES
KG / MES
Lineal (US $ / MES)
Lineal (KG / MES)
Gráfica 3.19. Tendencia del consumo y costos del producto Microbicida.
91
Gráfica del Consumo del Dispersante Orgánico y el costo asociado 4.500,00 4.000,00 3.500,00
US$ Y kG.
3.000,00 2.500,00 2.000,00 1.500,00 1.000,00 500,00 0,00 01Nov98
01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May99 00 00 00 00 00
Fecha US $ / MES
KG / MES
US$ / MES PRO.
KG / MES PRO.
Gráfica 3.20. Variación del Consumo y Costos del producto dispersante orgánico.
Gráfica de la tendencia del Consumo del Dispersante Orgánico y el costo asociado 4.500,00 4.000,00 3.500,00
US$ Y kG.
3.000,00 2.500,00 2.000,00 1.500,00 1.000,00 500,00 0,00 01Nov98
01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May- Jun- Jul-99 Ago- Sep- Oct- Nov98 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99
01- 01- 01- 01- 01- 01Dic- Ene- Feb- Mar- Abr- May99 00 00 00 00 00
Fecha US $ / MES
KG / MES
Lineal (US $ / MES)
Lineal (KG / MES)
Gráfica 3.21. Tendencia del consumo y costos del producto dispersante orgánico.
92
Como otra forma de evidenciar el impacto económico de lo dicho hasta ahora, se presenta la Tabla 3.7. Allí se compara el consumo estimado de sustancias químicas para el tratamiento del agua de la torre, con el consumo real mientras estuvo operando sin automatización de la dosificación de sustancias químicas y los obtenidos una vez puesto en marcha el sistema automatizado de control. Estos consumos multiplicados por el precio de cada sustancia representan los costos mensuales a partir de los cuales se determina el costo anual por concepto de consumo de sustancias químicas. Los resultados muestran que la operación manual del tratamiento químico implicó en promedio un costo anual de US$ 377.124 mayor al originalmente estimado en
US$ 321.600 anual. Una vez puesto en marcha la
automatización, los costos reales se redujeron a US$ 280.382, lo cual es mucho menor de lo que se tenia estimado inicialmente. La disminución de los costos de tratamiento en un 26%, se traduce en una diferencia y ahorro al año de US$ 96.742, lo cual sobrepasa el costo del proyecto de automatización, el cual fue de aproximadamente US$ 76.000. Estas cifras manejadas en términos de la rentabilidad de la inversión, es decir, se determina el tiempo de recuperación de la inversión de US$ 76.000 suponiendo el ahorro obtenido como una entrada o flujo de caja, se obtiene que la tasa interna de retorno de esa inversión es 114% lo cual indica una muy buena inversión. Además presenta un flujo de caja positivo a una tasa de 20% de descuento, indicando que los ingresos son mayores a los egresos. Por otro lado la inversión se recuperaría en el primer año del tratamiento, aproximadamente en 10 meses. Ver Tabla 3.8.
93
Tabla 3.7. Impacto de los costos y consumos antes y después de la automatización de la Torre de Enfriamiento I 105C.
CONSUMO (Kg. / MES) QUÍMICO
REAL DESPUES DE %VAR ANTES Y LA DESPUES DE LA AUTOMATIZAICON AUTOMATIZACION
ESTIMADO SIN AUTOMATIZACIÓN
REAL ANTES DE LA AUTOMATIZACION
3.500
4.459
2.875
-36%
1.500
2.173
1.500
-31%
Inhibidor de corrosión e incrustaciones Dispersante de sólidos suspendidos Dispersante Orgánico
700
450
200
-56%
Microbicida
900
1.182
1.067
-10%
Generador de Bióxido de cloro
1.700
1.333
2.100
58%
TOTALES / MES
8.300
9.597
7.742
-20%
TOTALES / AÑO
99.600
115.164
92.904
-20%
QUIMICO Inhibidor de corrosión e incrustaciones
PRECIOS (US$ / Kg.) 2,80
Dispersante de sólidos suspendidos
4,20
Dispersante Orgánico
3,30
Microbicida
4,60
Generador de Bióxido de cloro
2,50
COSTO DEL TRATAMIENTO (US$ / MES) QUIMICO
ESTIMADO SIN REAL ANTES DE LA REAL DESPUES DE LA AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACION AUTOMATIZAICON
%VAR ANTES Y DESPUES DE LA AUTOMATIZACION
Inhibidor de corrosión e incrustaciones
9.800
12.361
7.697
Dispersante de sólidos suspendidos
6.300
8.965
5.871
-38% -35%
Dispersante Orgánico
2.310
1.495
583
-61%
Microbicida
4.140
5.237
4.246
-19%
Generador de Bióxido de cloro
4.250
3.369
4.968
47%
TOTALES / MES
26.800
31.427
23.365
-26%
TOTALES / AÑO
321.600
377.124
280.382
-26%
94
Tabla 3.8. Flujo de caja para el proyecto de automatización de la Torre de Enfriamiento I 105C.
TIR VPN Tiempo de Resuperación
AÑO 0
AÑO 1
AÑO 2
AÑO 3
-76.000
96.742
96.742
96.742
114% 106.488
@ 20%
10 meses
Aspectos Ambientales: La cuantificación de las implicaciones ambientales de la automatización del tratamiento químico del agua de la torre de enfriamiento I 105 C se realizó a través del análisis del comportamiento del flujo del agua de aportación, los ciclos de concentración y de la purga continua de agua en la torre. Se parte de la premisa de que al mantener el número de ciclos de concentración en un número relativamente alto (entre 4,0 y 6,5) se logra, por una parte, reducir significativamente el consumo de agua fresca con lo cual se favorece el uso racional de este recurso y por otra, disminuir las descargas de líquidos residuales cargados con remanentes de los agentes químicos aplicados en el tratamiento. Con relación a esto último es conveniente agregar que en la medida en que la automatización permita reducir el contenido de sustancias químicas en la descarga se contribuirá a preservar la calidad de los cuerpos receptores de tales descargas, mas aun si se toma en cuenta que la mayoría de las sustancias aplicadas en el tratamiento presentan características de peligrosidad. La variación del números de ciclos de concentración en la torre de enfriamiento se muestra en la Gráfica 3.23., allí se observa que con la automatización se logra el objetivo de mantener esta variable en el rango deseable (4,0 –6,5 con una desviación estándar que pasó de 1.38 a 1.03), lo cual representa un aprovechamiento más eficiente del agua en el sistema. La Gráfica 3.22. muestra la variación del consumo de agua de aportación a la torre de enfriamiento así como la correspondiente a la descarga de la línea 95
de la purga continua. Allí se observa que después de la automatización, el consumo de agua se redujo, en promedio, de 250 m3 / h a 103 m3 / h, lo que representa una disminución de casi 60%. Si se recuerda que en este caso particular esta corriente proviene de la planta de agua potable, las consecuencias son mucho mas significativas ya que resulta un verdadero despilfarro la utilización de agua potable para otros usos diferentes al consumo humano. Con relación a las descargas de la purga continua, se puede observar en la misma Grafica 3.22. que la frecuencia de descargas también disminuyó en un 60%. Esto nos dice que el sistema esta siendo ecoeficiente, reduciendo las perdida de agua a través de la purga continua, evitando mayor volumen de descargas hacia el ambiente sin afectar la operación de la torre. Si se asocia la disminución del volumen de descarga de aguas residuales a través de la purga continua con la disminución del consumo de sustancias químicas para el tratamiento de las aguas en la torre (Ver Tabla 3.7.), se puede inferir que ello representa unos 1.855 kilos mensuales menos, vertidos al ambiente, o en otros términos
22.260 kilos anuales de químicos que no
son vertidos al medio a través de dichas descargas. III.2.
Diseño e Implantación del Sistema de Automatización para el Control de la Planta de Efluentes - Área de Servicios Industriales de la Refinería El Palito Estado Carabobo.
Con el propósito de analizar las implicaciones técnicas, económicas y ambientales en otra área de servicios importante en la industria, como es el manejo de los líquidos residuales, a continuación se presentan los resultados obtenidos en el proceso de automatización del tratamiento químico que se aplica en el sistema de separación de sólidos suspendidos por flotación con aire disuelto (DAF) existente en la Refinería El Palito, Estado Carabobo. Para ello se sigue el mismo esquema de presentación utilizado en el caso de la torre de enfriamiento discutido anteriormente.
96
Flujo de Aportación y Purga Torre De Enfriamiento 105C 500 450 400
M3/H
350 300
APORTACION
250
PURGA
200 150 100 50 01/10/99
01/09/99
01/08/99
01/07/99
01/06/99
01/05/99
01/04/99
01/03/99
01/02/99
01/01/99
01/12/98
01/11/98
0
Fecha
Gráfica 3.22. Consumo de agua de aportación y descargas a través de la línea de purga continua.
Ciclos de ConcentracionTorre I 105C
01/11/99
01/10/99
01/09/99
01/08/99
01/07/99
01/06/99
01/05/99
01/04/99
01/03/99
01/02/99
01/01/99
01/12/98
01/11/98
10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00
Fecha
Gráfica 3.23. Ciclos de concentración de la Torre de Enfriamiento I 105C. Previo a la presentación de resultados es conveniente aclarar que en las unidades DAF instaladas fueron diseñadas
para remover, fundamentalmente, los
hidrocarburos presentes en las descargas residuales de la Refinería, razón por la cual 97
de aquí en adelante se hará referencia a los resultados obtenidos en el control de este parámetro y no a sólidos suspendidos, que es la aplicación más general de estas unidades de tratamiento. III.2.1. Descripción General del Sistema
La planta de efluente de la Refinería El Palito cuenta con capacidad para maneja un caudal máximo de 2000 GPM con una carga máxima de hidrocarburos de entrada de 1000 ppm. Para ello dispone de tres equipos DAF identificados como DAF 54, 55 y 56 operando en paralelo y con recirculación de salida para la inyección de aire como se muestra en la Figura 3.4.
El agua que sale de la planta de efluentes va a una laguna de oxidación para luego ser descargado al cuerpo de agua receptor, en este caso, al mar. Es importante resaltar que en esta planta se tratan las aguas que drenan distintas zonas de la refinería e incluye las descargas provenientes de los intercambiadores de calor, torres de enfriamiento, calderas, u otros equipos allí utilizados. Aun cuando tales descargas pueden presentar diversidad de contaminantes, el que se considera de mayor relevancia es el contenido de hidrocarburos totales. De acuerdo a las normas ambientales existentes en el país, el contenido de hidrocarburos en la descarga al medio debe estar por debajo de 20 ppm. En tal sentido se establece este valor como límite a la salida de las unidades DAF, previendo que en unidades de tratamiento posteriores no ocurra remoción adicional de estos compuestos.
98
I 1
FIT 1
Entrada a la Planta
Salida de la Planta
Figura 3.4. DTI de la Planta de Efluente sin Automatización. DAF 54
I 2
FIT 2
DAF 55
Polímero
FIT 3
I 3
DAF 56
Notas: I 1
Señal para visualización en la IHM del DCS FoxBoro de la Refinería.
I 2
Señal para visualización en la IHM del DCS FoxBoro de la Refinería.
I 3
Señal para visualización en la IHM del DCS FoxBoro de la Refinería.
Inyección de Aire
1. Las bombas del químico eran ajustadas manualmente según análisis de laboratorio.
SIZE
FIGURA
A
3.4.
PAGINA #
99
99REV 0
El tratamiento químico en las unidades DAF consiste en la dosificación de un polímero el cual contribuye a la formación de flóculos que atrapan la mayor cantidad de contaminantes (en este caso hidrocarburos), los cuales se hacen flotar con ayuda del aire hacia la superficie de donde son removidos por un barredor mecánico. Al igual que en el caso del sistema anterior, antes de la automatización, el agente químico era dosificado de forma manual, es decir, con bombas dosificadoras calibradas a una dosis continua promedio esperada en el día o mes. En cuanto a las facilidades de control existentes en la planta, la inspección de campo permitió determinar que las únicas existentes y con potencial para el sistema de control a instalar eran los transmisores de flujo de agua ubicados en la entrada de cada DAF. También se pudo constatar la disponibilidad de puertos libres en su sistema de Control y Supervisión Distribuido (DCS) FOXBORO instalado en la planta,
que podía ser utilizado para la implementación del control
automático y registros. III.2.2. Parámetros de Registro y/o Control Seleccionados
Los parámetros que intervienen en el desarrollo y evaluación del sistema de automatización que se pretende instalar en esta planta se agruparon en tres grandes categorías: Parámetros del agua de entrada: En este caso el contenido de hidrocarburos totales Parámetros del agua de salida. En este caso el contenido de hidrocarburos totales Otros parámetros asociados al agente químico, costos del tratamiento y proyecto de automatización. 100
Como se mencionó anteriormente, en este tipo de sistema, el parámetro que debe ser mantenido bajo control es el contenido de hidrocarburos en la corriente de salida de las unidades DAF. Sin embargo su comportamiento depende de la eficiencia del sistema de tratamiento el cual, en este caso se considera influenciado por la dosificación del polímero, única sustancia química aplicada en el tratamiento. Aun cuando se sabe que también influye la cantidad de aire disuelto suministrado al sistema, a los efectos de este estudio, esta variable no se incluye pues para el momento de la decisión sobre la automatización, los sistemas están construidos y dotados de un sistema de suministro de aire disuelto operando bajo unas ciertas condiciones determinadas previamente cuya modificación no está prevista. Con base a lo anterior, se decide mantener registro del parámetro Hidrocarburos totales a la entrada y salida de las unidades DAF, así como del consumo de polímero y el costo asociado. También se decide diseñar e implantar el control automatizado para la dosificación del polímero. Al igual que en el caso anterior, la información utilizada para el seguimiento del proceso proviene de los registros suministrado por el cliente.
III.2.3. Sistema de Control Desarrollado. En términos generales, el proyecto para la automatización de la dosificación de sustancias químicas para el tratamiento de efluentes en las unidades DAF se concibió con los mismos objetivos que en el caso descrito para la Torre de enfriamiento I 105 C, razón por la cual, a los efectos de este punto, se sugiere volver a lo expuesto en esa oportunidad (Punto III.1.3). En esta sección solo se presentan los detalles del sistema de automatización instalado para el caso de la dosificación del polímero. Filosofía de control para la dosificación del polímero en la Planta de Efluentes Teniendo en cuenta que el polímero debe aplicarse al agua de entrada en forma continua y con base en el contenido de hidrocarburos en esta corriente, y a la eficiencia esperada del sistema a fin de cumplir con el requerimiento en 101
la descarga (contenido de hidrocarburo a la salida < 20 ppm), se decide instalar un controlador del tipo proporcional (P). Las bases de la lógica de control se pueden describir en los siguientes términos. La dosis de polímero se determina según:
Dosis
= m * F * Cte .
donde: Dosis F Cte. M
Cantidad en litros por hora (LPH) requerida de polímero Flujo de agua (LPH) entrando al DAF Constante para llevar todos los parámetros a la misma unidad. Concentración de la solución de polímero en ppm, la cual variara según el contenido material orgánico total en el agua entrando a la Planta de Efluentes.
Es importante destacar que el contenido de hidrocarburos se puede determinar directamente a través de la medición analítica de los hidrocarburos presentes o indirectamente, mediante la determinación del carbón orgánico total (COT). En la planta de efluentes de la Refinería El Palito se utiliza la determinación a través del COT, en consecuencia, la lógica de control se plantea en función de este último parámetro. Con base en lo anterior, se establece que el valor de m varia según el nivel de hidrocarburos o COT presente en el agua de entrada a los DAF según la siguiente función:
1 ppm m = 2 ppm 3 ppm
si si si
0 ppm < COT ≤ 100 ppm
100 ppm < COT ≤ 250 ppm COT > 250 ppm
Como se recordará este es un control proporcional el cual varia su valor de referencia según unas condiciones de entrada. Una representación gráfica de lo que se acaba de plantear se muestra en la Gráfica 3.24.
102
1,2
DOSIS (LPH)
1
TOC < 100 ppm
0,8 0,6
TOC Entre 100 y 250
0,4
TOC > 250 ppm
0,2
0, 0 45 .4 00 ,0 90 .8 00 ,0 13 6. 20 0, 0 18 1. 60 0, 0 22 7. 00 0, 0 27 2. 40 0, 0 31 7. 80 0, 0
0
FLUJO DE ENTRADA (LPH)
Gráfica 3.24. Representación gráfica del lazo de control del Polímero en La Planta de Efluentes. En este caso la ventana de control para el contenido de hidrocarburos a la salida de las unidades se estableció entre 10 ppm y 20 ppm, aun cuando se pudiera pensar que establecer el límite inferior en 10 ppm podría conducir a una dosificación excesiva de polímero, pues se estaría controlando la concentración de salida en valores mucho menores a lo requerido por la norma, en esta oportunidad la interpretación es completamente diferente. Se trata mas bien de optimizar la dosificación, pues en aquellos caso cuando la concentración a la salida se encuentre en niveles cercanos a 10 ppm, no será necesario dosificación adicional de polímero. Cabe resaltar que para este proyecto se tenía previsto la instalación del analizador en línea de contenido de hidrocarburos totales (COT), sin embargo el alto costo del equipo (aproximadamente US$ 15.000 c/u) así como la poca claridad en la mejora que ello pudiera representar, no justificaron su inversión. Se decidió entonces continuar con las mediciones en el laboratorio y cargarlas manualmente al sistema de control y supervisión distribuido (DCS) marca FOXBORO de la refinería tres veces por
turno. En
consecuencia, para lograr este lazo solo bastó reacondicionar las bombas y 103
programar la filosofía de control en el sistema FOXBORO mencionado anteriormente. El diagrama de tuberías e instrumentos para el sistema planteado se muestra en la Figura 3.5. y la arquitectura del sistema de control en la Figura 3.6. III.2.4. Costos del Sistema de Automatización Planteado y del Tratamiento Químico El costo del proyecto de automatización, en este caso resultó en US$ 15.130 (Ver Tabla 3.9.) y los correspondientes a consumo de sustancias químicas en US$ 150.000 anuales. Este sistema es considerablemente menos costoso que el anterior debido a que por una parte, sólo se requiere la automatización del control de la dosificación de una sustancia química y por otra, en la implantación del
104
I 1
FIT 1
Entrada a la Planta
Salida de la Planta
Figura 3.5. DTI Planta de Efluentes con Automatización. DAF 54
I 1
I 2
FIT 2
I 2
I 4
DAF 55
I 3
LSL 1
Polímero
FIT 3
I 3
DAF 56
Notas: I 1
Lógica de control del Polímero para el DAF 1.
I 2
Lógica de control del Polímero para el DAF 2.
I 3
Lógica de control del Polímero para el DAF 3.
I 4
Lógica de control miscelaneas (Alarmas, pervisimos, etc.)
Inyección de Aire
2. Todas las lógicas están en el DCS FoxBoro de la Refinería 3. Todas las señales suben están disponibles la IHM del DCS FoxBoro (Ver Diagrama de Arquitectura)
SIZE
FIGURA
A
3.5.
PAGINA #
105
105REV 0
Figura 3.6. Arquitectura del sistema de control de la Planta de Efluentes.
Computador para correr los programas de supervición, control, y registros de tendencia e históricos para SPC. Computador. IHM REMOTA
Nivel Superior del CUARTO DE CONTROL
Controlador de Procesos RED DE CAMPO
Otras áreas de la refinería
Nivel Campo. Tarjetas de I / O del DCS
CASETA AREA DE QUIMICO
Todos los lazos de control analógicos son de 4 - 20 mA
Todos los lazos de control digitales son de 110 vac
s
s
Efluentes SIZE
FIGURA
A
3.6.
PAGINA #
106
REV
106
0
sistema se aprovechan
algunas facilidades existentes en la planta de
efluentes tales como: los transmisores de flujo de agua de entrada en cada una de las unidades DAF y el sistema de Supervisión y Control Distribuido (DCS) marca FOXBORO.
Tabla 3.9. Costos Detallados del Proyecto de Automatización de la Planta de Efluentes. EQUIPOS BOMBAS DOSIFICADORAS EQUIPOS DE DILUCIÓN EN LINEA GABINETE CON ACCESORIOS TANQUES REGULADOR DE AIRE PRESOSTATO SUB TOTAL EQUIPOS
CANTIDAD 3 3 1 1 1 1
US$ / UNIDAD US$ TOTAL 1.500 800 1.000 1.500 80 50
FABRICANTE
4.500 PULSAFEEDER 2.400 CALGON 1.000 1.500 80 ALLEN BRADLEY 50 DATATAKER 9.530
METERIALES CONSTRUCCIONES MECANICAS (BASES TANQUES)
1.500
CANALIZACIONES ELECTRICAS E INSTRUMENTOS
300
TUBERIAS DE QUIMICOS CABLES ELETRICOS CABLES DE INSTRUMENTOS ACCESORIOS CONTACTORES
200 200 200 100 100
SUB TOTAL METERIALES
2.600
EJECUCIÓN INGENIERIA DETALLES CONTRATACIONES (SUELDOS Y MANUTENCION)
500 2.000
EMISION DE MANUALES, PLANOS, Y OTROS DOCUMENTOS
300
ENTRENEMIENTO FLETES
100 100
SUB TOTAL EJECUCIÓN TOTAL DEL PROYECTO
3.000 15.130
Los costos asociados al consumo de sustancias químicas para el tratamiento, se muestran en la Tabla 3.10. y corresponden al monto erogado por concepto de consumo de sustancias para el tratamiento antes de implantar el sistema 107
de automatización, el cual se determinó en US$ 144.000 anuales. Tabla 3.10. Costos por Concepto de Consumo de Sustancias Químicas para el Tratamiento del Agua de la Planta de Efluentes previo a la Implantación del Sistema de Automatización Planteado y del Tratamiento Químico.
QUÍMICO Polímero
US$ / KG KG / MES KG / AÑO US$ / MES US$ / AÑO 4,80
TOTALES
2.500
30.000
12.000
144.000
2.500
30.000
12.000
144.000
III.2.5. Cuantificación y Evaluación de las implicaciones Técnicas, Económicas y Ambientales derivadas de la Automatización Planteada en la Planta de Efluentes Refinería El Palito, Estado Carabobo
En esta oportunidad, la discusión de los aspectos técnicos se centra en verificar el logro de un comportamiento estable y bajo los requerimientos de la norma ambiental con respecto al parámetro hidrocarburo en la descarga de las unidades DAF, a pesar de las fluctuaciones en la entrada al sistema y con el menor requerimiento posible de dosificación de sustancias químicas. En cuanto a los aspectos económicos, se trata de evidenciar la disminución de los costos por concepto de consumo de sustancias químicas como consecuencia del la implantación del sistema de automatización. Por su parte , la consideración de los aspectos ambientales está dirigido a evidenciar la disminución de descarga de contaminantes al medio como consecuencia de ineficiencias en el sistema de tratamiento o residuales innecesarios de sustancias químicas en la descarga, todo ello atribuible a un control sistemático y eficiente del tratamiento aplicado. El periodo de estudio para la evaluación planteada en este proceso abarca desde el 01 de Enero de 1998 hasta el 12 de Agosto 1999. Aun cuando el sistema de automatización estuvo listo para arranca en octubre de 1998, 108
problemas técnicos tanto en el sistema como en la planta de tratamiento de efluentes, ocasionaron que no fuera hasta mayo de 1999 cuando comenzara a operar normalmente. Los resultado obtenidos se presentan a continuación. Aspectos Técnicos: La variación del contenido de hidrocarburos en la corriente de entrada para cada una de las Unidades DAF que conforman la planta de tratamiento en consideración,
se
muestra
en
las
Gráficas
3.25.,
3.26.
y
3.27.
correspondientes a las unidades DAF 54; 55 y 56 respectivamente. Llama la atención que a pesar de que las tres unidades operan en paralelo, el patrón de comportamiento obtenido para el DAF 55 es significativamente diferente al de las otras dos unidades, donde vale decir que la variación es muy similar. Esto es debido a que este DAF presenta mayores tiempos fuera de servicio y por ende el registro en los libros de los valores de hidrocarburos entrando no se realizaba. En el caso de las unidades DAF 54 y 56 el contenido de hidrocarburos se mantuvo variando significativamente alcanzando valores hasta de 900 ppm, mientras que en la unidad DAF 55 los cambios en concentración fueron mas atenuados y el máximo valor registrado estuvo en el orden de 375 ppm. Esta situación, además de mostrar la alta variedad en la calidad del afluente tratado, refleja las paradas por fallas operacionales de la unidad DAF 55 durante el periodo de observación del proceso. Cuando se revisa el comportamiento de la concentración de hidrocarburos a la salida del sistema, por una parte se confirma la alta variabilidad de las condiciones de entrada y por otra, la efectividad del tratamiento para mantener la descarga por debajo del nivel establecido (20 ppm). Ver Gráficas 3. 28; 3.29 y 3.30. Una primera evidencia de lo anterior es el calculo de la desviación estándar para las muestras tomadas a en la corriente de salida de cada equipo DAF antes y después de la automatización los cuales fueron: •
Para el DAF 54, la desviación estándar pasó de 14.36 a 8.93 109
•
Para el DAF 54, la desviación estándar pasó de 8.55 a 6.55
•
Para el DAF 54, la desviación estándar pasó de 17.24 a 9.46
1.000,00 900,00 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 01 -E n 16 e-9 8 -E n 22 e-9 -E 8 n 28 e-9 -E 8 n 01 e-9 -M 8 a 01 y -S 98 e 06 p-9 8 -E n 12 e-9 -E 9 n 18 e-9 -E 9 n 24 e-9 9 -E n 02 e-9 -M 9 09 ar-9 -M 9 a 13 r-9 -M 9 19 ar-9 -M 9 a 24 r-9 -M 9 31 ar-9 -M 9 a 05 r-9 -A 9 br 14 -9 -A 9 b 19 r-9 -A 9 b 23 r-9 -A 9 br -9 9
ppm
Gráfica de los Hidrocarburos entrando al DAF 54
Fecha
Gráfica 3.25. Hidrocarburos entrando al DAF 54.
Gráfica de los Hidrocarburos entrando al DAF 55 400 350 300
200 150 100 50
ne -9 14 -E 8 ne -9 16 8 -E ne -9 20 -E 8 ne -9 8 01 -J ul -9 01 -S 8 ep -9 04 -E 8 ne -9 06 9 -E ne 9 08 -E 9 ne -9 12 -E 9 ne -9 14 9 -E ne -9 18 -E 9 ne -9 22 -E 9 ne -9 24 9 -E ne -9 26 -E 9 ne 08 -99 -M ar -9 10 -M 9 ar -9 9
0
01 -E
ppm
250
Fecha
Gráfica 3.26. Hidrocarburos entrando al DAF 55.
110
30
25
20
15
10
5
0 06-Abr-99
03-Abr-99
30-Mar-99
27-Mar-99
25-Mar-99
23-Mar-99
21-Mar-99
19-Mar-99
17-Mar-99
15-Mar-99
13-Mar-99
11-Mar-99
02-Mar-99
29-Ene-99
27-Ene-99
25-Ene-99
30-Ene-98
28-Ene-98
26-Ene-98
22-Ene-98
01-Ene-98
26-Abr-99
35 20-Abr-99
40
02-Ago-99
Gráfica de los hidrocarburos saliendo del DAF 54 13-Abr-99
Gráfica 3.27. Hidrocarburos entrando al DAF 56.
18-Jul-99
Fecha
30-Jun-99
09-Jun-99
23-May-99
14-May-99
05-May-99
26-Abr-99
17-Abr-99
08-Abr-99
30-Mar-99
21-Mar-99
11-Mar-99
02-Mar-99
24-Ene-99
15-Ene-99
06-Ene-99
01-Nov-98
01-Jun-98
01-Feb-98
27-Ene-98
22-Ene-98
17-Ene-98
01-Ene-98
ppm
ppm
Gráfica de los Hidrocarburos entrando al DAF 56
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Fecha
Gráfica 3.28. Hidrocarburos saliendo del DAF 54.
111
Gráfica de los hidrocarburos saliendo del DAF 55 40 35 30 ppm
25 20 15 10 5 10-Ago-99
28-Jul-99
14-Jul-99
07-Jul-99
27-Jun-99
19-Jun-99
11-Jun-99
31-May-99
12-May-99
19-Mar-99
08-Mar-99
30-Ene-99
24-Ene-99
18-Ene-99
12-Ene-99
06-Ene-99
01-Dic-98
01-Sep-98
01-Jun-98
01-Mar-98
19-Ene-98
15-Ene-98
01-Ene-98
0
Fecha
Gráfica 3.29. Hidrocarburos saliendo del DAF 55.
100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 01 -E 23 ne-E 98 27 ne-E 98 31 ne-E 98 21 ne-E 98 29 ne-E 99 06 ne-M 99 14 ar-M 99 22 ar-M 99 30 ar-M 99 07 ar-A 99 15 br-9 -A 9 23 br-9 -A 9 01 br -M -99 09 ay -M -99 17 ay -M -99 03 ay -J 99 u 17 n-9 -J 9 u 27 n-9 -J 9 u 06 n-9 -J 9 19 ul-9 -J 9 u 30 l-9 -J 9 11 ul-A 99 go -9 9
ppm
Gráfica de los hidrocarburos saliendo del DAF 56
Fecha
Gráfica 3.30. Hidrocarburos saliendo del DAF 56. Los histogramas de frecuencia mostrados en las Gráficas 3.31.; 3.32. y 3.33. señalan que a excepción del DAF 55, el porcentaje de mediciones del contenido de hidrocarburos por encima del límite superior disminuyó entre un 3 y 4 %. Sin embargo el porcentaje de valores menores a 10 ppm disminuyó, al parecer a expensas de un aumento en el porcentaje de valores 112
en el rango establecido para la ventana de control. Desde el punto de vista técnico tal comportamiento se considera satisfactorio, toda vez que se logra el objetivo final (mantener la descarga con un contenido de hidrocarburos menor a 20 ppm), sin que esto implique mayores consumos de sustancias químicas, como se presentará mas adelante. El comportamiento anómalo mostrado para el caso de la unidad DAF 55, se considera poco significativo y atribuible a los problemas operacionales de la unidad durante el periodo de observación del sistema.
Comportamiento de los hidrocarburos de salida en el DAF 54 70% 60%
62% 53%
50% 38%
40% 30%
ANTES DESPUES
25%
20%
13%
10%
10%
0% < 10ppm
Entre 10 y 20 ppm
> 20 ppm
Gráfica 3.31. Comportamiento de los hidrocarburos saliendo del DAF 54.
Comportamiento de los hidrocarburos de salida en el DAF 55 70% 60%
62% 51%
50% 40%
26%
36%
ANTES DESPUES
30% 20%
12%
14%
10% 0% < 10ppm
Entre 10 y 20 ppm
> 20 ppm
Gráfica 3.32. Comportamiento de los hidrocarburos saliendo del DAF 55. 113
Comportamiento de los hidrocarburos de salida en el DAF 56 45% 40%
42% 41% 39% 34%
35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%
24%
ANTES
20%
DESPUES
< 10ppm
Entre 10 y 20 ppm
> 20 ppm
Gráfica 3.33. Comportamiento de los hidrocarburos saliendo del DAF 56.
Otra forma de evidenciar las implicaciones técnicas consecuencia de la automatización planteada, es revisando los posibles cambios en la eficiencia del tratamiento, en términos de remoción de hidrocarburos, para cada una de las unidades consideradas. Los resultados se presentan en la Tabla 3.11. Aun cuando las mejoras en la eficiencias no son muy significativas, nuevamente se
confirma
que
el
sistema
de
automatización
está
trabajando
satisfactoriamente, reduciendo el consumo de sustancias químicas, manteniendo la eficiencia de remoción de los DAF y estabilizando el control de los hidrocarburos a la salida de la planta.
Tabla 3.11. Eficiencia de la Planta de Efluentes antes y después de la automatización. DAF 54 DAF 55 DAF 56 88% 76% PERIODO EN MANUAL 87% PERIODO EN AUTO 90% 86% 80%
114
Es importante destacar que una manera de mejorar el desempeño del sistema de control automatizado y en consecuencia la eficiencia del sistema de tratamiento, es a través de la instalación del medidor del indicador de contenido de hidrocarburos en línea en las tuberías de alimentación de cada una de las unidades DAF existentes en la planta de tratamiento, esto permitiría mayor continuidad en el registro de esta variable y posibilidades de ajuste más eficiente en la dosificación del polímero. Aspectos Económicos: Como se mencionó anteriormente, la cuantificación de las implicaciones económicas de la implantación del sistema de automatización se realiza mediante la elaboración de gráficos que muestren la variación del consumo de sustancia química aplicada (polímero) y los costos asociados, antes y después de la puesta en marcha del sistema. Los resultados obtenidos muestran que en promedio, antes de la automatización el consumo de polímero fue de 2.216 kg/mes con un costo promedio por concepto de adquisición del agente químico en el orden de US$ 10.547 /mes, mientras que durante el periodo posterior a la automatización, el consumo se redujo en promedio a 916 kg/mes y el costo a US$ 4.613/mes. Esto significa una reducción promedio en el consumo de un 59% y en los costos de un 56%, en ambos casos con una tendencia a la baja como lo muestran las Gráficas 3.34. y 3.35. Es conveniente destacar que para la elaboración de las Gráficas se utilizaron los consumos promedios mensuales reportados en la planta asociados a los precios del producto al cierre de cada mes. Nuevamente se debe señalar que el vacío de información observado durante el periodo comprendido entre noviembre de 1998 y abril de 1999 corresponde a la etapa cuando se presentaron diversos problemas de operación en la planta incluyendo paradas de la misma, o simplemente compras de agentes químicos por adelantado para mantener inventario en los almacenes del cliente para los próximos meses.
115
Gráfica del Consumo del Polímero y el costo asociado 20.000,00 18.000,00 16.000,00
US$ Y kG.
14.000,00 12.000,00 10.000,00 8.000,00 6.000,00 4.000,00 2.000,00
1-Feb-00 1-Feb-00
1-Dic-99
1-Ene-00 1-Ene-00
1-Nov-99
1-Oct-99
1-Sep-99
1-Jul-99
1-Ago-99
1-Jun-99
1-Abr-99
1-May-99
1-Mar-99
1-Feb-99
1-Dic-98
1-Ene-99
1-Nov-98
1-Oct-98
1-Sep-98
1-Jul-98
1-Ago-98
1-Jun-98
1-Abr-98
1-May-98
1-Mar-98
1-Feb-98
1-Dic-97
1-Ene-98
1-Nov-97
1-Ago-97
0,00
Fecha US $ / MES
KG / MES
US$ / MES PRO.
KG / MES PRO.
Gráfica 3.34. Variación de los costos y consumos del polimero.
Gráfica del Consumo del Polímero y el costo asociado 20.000,00 18.000,00 16.000,00 12.000,00 10.000,00 8.000,00 6.000,00 4.000,00 2.000,00
1-Dic-99
1-Nov-99
1-Oct-99
1-Sep-99
1-Ago-99
1-Jul-99
1-Jun-99
1-May-99
1-Abr-99
1-Mar-99
1-Feb-99
1-Ene-99
1-Dic-98
1-Nov-98
1-Oct-98
1-Sep-98
1-Ago-98
1-Jul-98
1-Jun-98
1-May-98
1-Abr-98
1-Mar-98
1-Feb-98
1-Ene-98
1-Dic-97
1-Nov-97
0,00 1-Ago-97
US$ Y kG.
14.000,00
Fecha US $ / MES
KG / MES
Lineal (US $ / MES)
Lineal (KG / MES)
Gráfica 3.35. Tenencia de los costos y consumos del polimero.
116
Por otra parte según la información presentada en la Tabla 3.12., el costo del tratamiento, una vez puesto en marcha el sistema de automatización y considerando sólo lo concerniente a consumo de sustancias químicas es de US$ 55.365/año muy inferior al costo real antes de la automatización e incluso al estimado previo a la fijación del tratamiento los cuales están en el orden de US$ 126.568/año y US$ 144.000/año respectivamente. Si se considera el ahorro mensual (US$ 71.203) como una entrada al flujo de caja del sistema y teniendo en cuenta que la inversión inicial por costos del sistema automatizado es de US$ 15.000, tal inversión se recupera en cuatro (4) meses lo que en términos financieros puede considerarse como una excelente inversión. Los resultados de este análisis se muestran en la Tabla 3.13. Tabla 3.12. Impacto de los Consumos y Costos del Tratamiento Antes y Después de la Automatización.
CONSUMO (Kg. / MES) ESTIMADO SIN AUTOMATIZACIÓN
REAL ANTES DE LA AUTOMATIZACION
REAL DESPUES DE LA AUTOMATIZAICON
Polímero
2.500
2.217
917
-59%
TOTALES / MES
2.500
2.217
917
-59%
TOTALES / AÑO
30.000
26.604
11.004
-59%
QUIMICO
QUIMICO
%VAR ANTES Y DESPUES DE LA AUTOMATIZACION
PRECIOS (US$ / Kg.)
Polímero
4,80
COSTO DEL TRATAMIENTO (US$ / MES) QUIMICO
ESTIMADO SIN REAL ANTES DE LA REAL DESPUES DE LA AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACION AUTOMATIZAICON
%VAR ANTES Y DESPUES DE LA AUTOMATIZACION
Polímero
12.000
10.547
4.614
-56%
TOTALES / MES
12.000
10.547
4.614
-56%
TOTALES / AÑO
144.000
126.568
55.365
-56%
117
Tabla 3.13. Flujo de Caja para el Proyecto de Automatización de la Planta de Efluentes.
TIR VPN Tiempo de Recuperación
AÑO 0
AÑO 1
AÑO 2
AÑO 3
-15.000
71.203
71.203
71.203
472% 112.490
@ 20%
4 meses
Aspectos Ambientales: En el caso particular de la Planta de Efluente las implicaciones ambientales de la implantación del sistema de automatización para el control de tratamiento químico, quedan directamente determinadas con el análisis de los aspectos técnicos y económicos que se acaban de presentar, puesto que el mantener o mejorar la calidad del efluente y en consecuencia la eficiencia del tratamiento es precisamente lo que se persigue desde el punto de vista ambiental . Por otra parte el uso racional de sustancias químicas que en este caso representa una reducción de su consumo en el orden de 1.300 kg/mes puede interpretarse como una disminución en el aporte de otros contaminantes asociados a la descarga y que pueden causar efectos adversos en el cuerpo receptor. III.3.
Beneficios Intangibles de los Sistemas de Automatización Implantados Aun cuando no se planteó la identificación de otros beneficios diferentes a los desarrollados en el presente estudio, se pudo conocer que como consecuencias colaterales de la implantación de los sistemas de automatización se lograron ahorros por concepto de almacenamiento. Esto se explica porque cuando se diseñan estos sistemas, se incorporan tanques de mayor capacidad para darles autonomía, en consecuencia, el producto básicamente es almacenado en el mismo sitio de dosificación y no en un almacén para luego ser trasladado en el momento de dosificación. 118
Estrechamente relacionado con lo anterior, aparecen beneficios para los operadores del sistema de tratamiento, para quienes se disminuyen los riegos de accidentes y enfermedades laborales trasegando el producto y/o cargando tambores y baldes. Para resaltar la importancia de la consideración de estos aspectos, quizás resulte conveniente transcribir la opinión de uno de los operadores a los que se hace referencia: “Desde que montaron el sistema automático, mis dolores de espalda desaparecieron, me siento mucho mejor, gracias muchachos....”
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Conclusiones
Los sistemas de automatización diseñados e instalados en dos importantes sistemas para el tratamiento químico de aguas industriales (Torre de Enfriamiento y Separación de Sólidos con Aire Disuelto) operaron satisfactoriamente, al menos durante el período de observación para la ejecución del presente estudio. El análisis del desempeño de tales sistemas permitió identificar beneficios tangibles e intangibles
de su puesta en marcha en lo técnico,
económico y ambiental, confirmando así la importancia de incorporar la automatización en el área de servicios industriales para mejorar el desempeño ambiental de las empresas. Entre los beneficios tangibles se tiene que la automatización de la inyección de sustancias químicas, originó una reducción de sus consumos entre 10 y 56 % en el caso de la Torre de Enfriamiento y del 59% en La Planta de Efluente. Todo ello sin comprometer la calidad del efluente tratado ni la integridad de las instalaciones. En el caso de la Torre de Enfriamiento se mantuvo la tendencia de corrosión por abajo de los 5 mpy, y para el caso de la Planta de Efluente, se mantuvo la eficiencia de remoción entre un 80% y 90% para producir un efluente con un contenido de hidrocarburos menor o igual a 20 ppm. Desde el punto de vista económico, la reducción de los consumos de sustancias químicas como consecuencia de la implantación de los respectivos sistemas de automatización, se traduce en una importante disminución de los cotos del tratamiento. En el caso de la torre de enfriamiento los costos anuales pasaron de US$ 377.124 anual a US$ 280.382 anual lo cual representa una reducción en el orden de 26%, mientras que para el caso de la planta de Efluente los costos anuales se redujeron en un 56% (de US$ 126.568 anual disminuyeron a US$ 55.365 anual). Las inversiones requeridas para la instalación de los sistemas de control, que permitieron mejorar la supervisión y control de los parámetros del sistema así como mantener estos parámetros el mayor tiempo posible dentro de la ventana de control, se consideran razonables, US$ 76.000 en la Torre de Enfriamiento y US$ 15.000 para al Planta de Efluente, toda vez que desde el punto de vista financiero pueden considerarse una buena inversión. En ambos casos, la tasa interna de retorno es muy atractiva entre 100% para La Torre de Enfriamiento y 470% para La Planta de Efluentes, se obtienen valores presentes netos (VPN) 120
positivos, y la inversión se recupera entre 10 y 4 meses respectivamente. Desde el punto de vista ambiental, se muestra como la automatización del tratamiento químico del agua en la torre de enfriamiento permitió reducir significativamente el consumo de agua fresca (60%) con lo cual se favorece el uso racional de este recuro, así como disminuir las descarga de líquidos residuales cargados con remanentes de los agentes químicos aplicados en el tratamiento. Esto último resulta de suma importancia si se toma en cuenta que la mayoría de las sustancias aplicadas en el tratamiento de esta agua presentan características de peligrosidad. Por su parte, en el caso de la Planta de Efluentes se logra mantener la eficiencia del sistema en valores mayores al 85%, así como minimizar la aparición de descargas extremas, todo ello asociado a una reducción de consumo de sustancias químicas en el orden de 59%. Esta situación sin duda impacta positivamente al medio receptor de las descargas tratadas y a la empresa quien por una parte mostrará una mejor imagen ante la comunidad y sus clientes y por otra evitará las sanciones correspondientes al incumplimiento de sus compromisos ambientales. Entre los beneficios intangibles que se pueden atribuir a la implantación de los sistemas de automatización desarrollados en este estudio, destacan las mejoras de las condiciones laborales de los operadores del sistema de tratamiento así como ahorros colaterales por manejo de sustancias químicas.
121
Recomendaciones
Analizar la posibilidad de incorporar medidores en línea de los diferentes parámetros a registrar y controlar. Específicamente en el caso de la Torre de Enfriamiento el analizador de cloro y en la Planta de Efluentes, el analizador de hidrocarburos u otro parámetro indicador de su contenido en el afluente a la planta. Considerar la cuantificación de otros ahorros consecuencia de la implantación de los sistemas de automatización tales como los costos relacionados con consumo de agua tratada, ahorros en volumen de agua de aportación, manejo de sustancias químicas, condiciones laborales del personal involucrado, entre otros. Realizar estudios similares en otras operaciones y procesos aplicados en el área de servicios industriales utilizadas en el sector industrial venezolano.
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moderna.
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