El documento presenta un programa para el prediseño de plantas de ultrafiltración y microfiltración a escala industrial. El programa permite caracterizar el flujo de permeado mediante datos experimentales, ensayar diferentes configuraciones de procesos discontinuos u continuos, y llevar a cabo el prediseño y evaluación económica del proceso seleccionado. Se incluye una base de datos con procesos y módulos modelizados, y un caso práctico donde se estudia el tratamiento de efluentes industriales mediante ultrafiltración.

1. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
PREDISEÑO DE PLANTAS DE ULTRAFILTRACIÓN

2. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROGRAMA
 OBJETIVO
El programa permite llevar a cabo el diseño y evaluación económica
de procesos de membrana de Ultrafiltración y Microfiltración a escala
industrial.
 CARACTERÍSTICAS GENERALES
• Incorporación de una Base de Datos dinámica, que el usuario
puede utilizar de forma interactiva.
• Posibilidad de caracterización del flujo de permeado del sistema
mediante el ajuste de datos experimentales obtenidos a escala de
laboratorio ó planta piloto, para su posterior aplicación de cara al
diseño del proceso industrial.
• El programa permite ensayar diferentes configuraciones de
procesos discontinuos (Batch), ó continuos (Feed-and-Bleed),
utilizando para ello módulos industriales reales recogidos en la
base de datos y, asimismo, permite hallar la configuración óptima
desde el punto de vista económico.
• Con la configuración seleccionada, el programa permite llevar a
cabo el prediseño de la planta industrial, calculando tanques de
almacenamiento, sistema de calefacción y sistemas de impulsión
así como realizar la evaluación económica del proceso.

3. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
BASE DE DATOS
 PROCESOS MODELIZADOS
En esta sección de la base de datos se recogen las condiciones de
operación y los parámetros del modelo de flujo obtenidos para
diferentes sistemas estudiados en trabajos de investigación llevados a
cabo en el Departamento de Ingeniería Química.
• Sistemas Polarizados
• Sistemas Gelificados
• Sistemas No Polarizados
 MÓDULOS INDUSTRIALES
En esta sección se recogen las características de diversos módulos
industriales. Durante la configuración del proceso se realizará la
selección del módulo más adecuado y el programa realizará los cálculos
de acuerdo a las características de dicho módulo.

4. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CASO PRÁCTICO
 OBJETIVO
Minimizar los costes de gestión de los residuos generados por la empresa PROMECK
S.L., mediante el estudio de la alternativa de un proceso de membrana que permita la
reutilización de los efluentes generados en el proceso.
En este caso práctico nos centraremos en el tratamiento del efluente de fundición,
para el cual las especificaciones indican que se debe concentrar hasta un 40% en
peso.
 DESCRIPCIÓN
La empresa PROMECK S.L., dedicada a la fundición y mecanizado de metales,
genera dos efluentes líquidos procedentes de diferentes procesos de producción.
En ambos casos se trata de una emulsión aceite/agua en la que el contenido en
aceite es aproximadamente un 5% del peso total.
Debido a su naturaleza y composición, estos efluentes se consideran residuos
peligrosos, ya que presentan cualidades ecotóxicas, por lo que deben ser tratados
previamente a su vertido.
Por este motivo,la empresa PROMECK S.L., se ve actualmente en la necesidad
de recurrir a una empresa gestora de residuos autorizada (SAFETY KLEEN).

5. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
EFLUENTE DE FUNDICIÓN
 Generación de efluente de la planta de fundición
Residuos generados 2800 Tm/año
Agua (5%) 2660 Tm/año
Aceites (95%) 140 Tm/año
 Parámetros de caracterización del efluente
Parámetro Valor
Densidad (Kg/m3) 1100
Viscosidad (Kg/m/s)
[T=25º C]
0,003

6. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
EXPERIMENTOS EN LABORATORIO
 Características de la membrana utilizada
Diámetro externo (mm) 10
Diámetro interno (mm) 6
Longitud (mm) 400
Área de membrana (m2) 0,008
 Condiciones óptimas de operación
Presión (Pa) 3·105
Temperatura (ºC) 25
Velocidad Tangencial (m/s) 1
Factor de Escala
(Semejanza Geométrica)
Factores de Escala
(Semejanza Dinámica)

7. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Tiempo (horas) J (m/s) Cb (% peso)
0 3,00·10-5 4,6
1 2,50·10-5 9,3
2 2,08·10-5 10,9
3 1,76·10-5 15,3
4 1,38·10-5 19,2
5 1,11·10-5 23,7
6 9,16·10-6 29,5
7 7,27·10-6 35,7
8 6,67·10-6 40,1
• Resultados obtenidos durante la experimentación a escala de laboratorio

8. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
MÓDULOS INDUSTRIALES
• Módulos industriales recogidos en la base de datos adecuados para
el diseño del proceso industrial
Fabricante CARBOSEP KERASEP KERASEP KERASEP KERASEP
Modelo SC-7 K01 B-X K07 B-X K19 B-X K37 B-X
Membranas
por módulo
7 1 7 19 37
Canales por
membrana
1 7 7 7 7
Diámetro de
canal (mm)
6 6 6 6 6
Área del
módulo (m2)
0,168 0,155 1,08 2,95 5,73
Longitud del
módulo (m)
1,2 1,178 1,178 1,178 1,178

9. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
AJUSTE DE DATOS EXPERIMENTALES
Valores obtenidos para los parámetros del modelo
de flujo tras el ajuste
k (m/s) 1,155·10-5
Cg (% peso) 67,331
Se realiza el ajuste de los datos
experimentales al modelo de la capa
de gel:







b
g
C
C
kJ ln

10. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “BATCH”
• Formulario con los datos de partida y resultados iniciales
Área Teórica =5,066 m2
Los resultados iniciales
son comunes a todas
las configuraciones, ya
que en todas ellas se
concentra la emulsión
desde un 5% hasta un
40% en peso.
Por ello nos fijaremos
en el Área Real y en la
Potencia Total de
Bombeo que variarán
según la configuración
propuesta.

11. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “BATCH”
• CONFIGURACIÓN Nº 1
Módulo Utilizado: KERASEP K07 B-X
Potencia Total
de Bombeo (Kw)
Área Real (m2)
0,255 5,4

12. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “BATCH”
• CONFIGURACIÓN Nº 2
Módulo Utilizado: KERASEP K19 B-X
Potencia Total
de Bombeo (Kw)
Área Real (m2)
0,198 5,9

13. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “BATCH”
• CONFIGURACIÓN Nº 3
Módulo Utilizado: KERASEP K37 B-X
Potencia Total
de Bombeo (Kw)
Área Real (m2)
0,121 5,73

14. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “BATCH”
• CONFIGURACIÓN Nº 4
Módulo Utilizado: KERASEP K07 B-X
Potencia Total
de Bombeo (Kw)
Área Real (m2)
0,186 5,4

15. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
COMPARACIÓN ENTRE CONFIGURACIONES
Configuración
Potencia Total
de Bombeo
(Kw)
Área Real (m2)
1 0,255 5,4
2 0,198 5,9
3 0,121 5,73
4 0,186 5,4

16. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
DISEÑO DE EQUIPOS: DATOS DE PARTIDA
 TANQUES DE ALMACENAMIENTO
• Tanque de almacenamiento de alimento
El efluente llega a la planta semanalmente, por lo que se preverá un tiempo
de almacenamiento del mismo de siete días.
• Tanque de almacenamiento de permeado
El permeado debe ser tratado previamente a su vertido. La duración de
este tratamiento es de un día, por lo que se preverá un tiempo de
almacenamiento de permeado de un día.
 SISTEMA DE CALEFACCIÓN
• Temperatura de trabajo: 25º C
• Temperatura ambiente: 21º C
 SISTEMAS DE IMPULSIÓN
• Rendimiento hidráulico: 70%
• Rendimiento mecánico: 70%
Temperatura óptima a la que
se han obtenido los
resultados experimentales
en laboratorio.

17. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
TANQUES DE ALMACENAMIENTO Y SISTEMA DE CALEFACCIÓN
Tanque Volumen (m3)
Tanque de
alimentación
13,9
Tanque
almacenamiento
alimento
48,8
Tanque
almacenamiento
permeado
12,2
Sistema de Calefacción
Caudal de calor necesario
(Kcal/hora)
5344,3

18. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
SISTEMAS DE IMPULSIÓN
Bomba
Potencia
Necesaria (Kw)
Bomba de
alimentación
0,049
Bomba de
recirculación
0,140

19. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
 Tanques de Almacenamiento
- Material de construcción: Poliester con recubrimiento de resina bifenólica y ortoftálica.
- Criterio de selección: Condiciones suaves de operación y bajo coste.
- Coste: 125 €/m3 (Procedimiento ponderal para materiales no metálicos).
 Sistema de Ultrafiltración
- Coste: 2600 €/m2 (Munir Cheryan, 1998, Cap. 7.G.).
 Sistemas de Impulsión
- Material: Hierro Fundido &API-610
- Tubería de descarga: 1”
- Coste Unitario: 500 € (No incluye precio del motor)
 Sistema de Calefacción
- Coste de la resistencia: 300 €
 Materias Primas
- Coste de materias primas: nulo (la materia prima es el propio efluente a tratar)
- Costes de limpieza: 6 €/m2/año (Munir Cheryan, 1998, Cap. 7.G.).
EVALUACIÓN ECONÓMICA: DATOS DE PARTIDA
Base de datos:
http://www.matche.com/EquipCost

20. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
EVALUACIÓN ECONÓMICA: DATOS DE PARTIDA
 Mano de obra directa
El coste de un hombre/hora varía según la cualificación profesional del individuo, en este
caso se tomará un valor medio:
- Coste: 30 €/Hh
 Servicios generales
- Coste unitario del Kwh: 8 €cent/Kwh
- Coste del agua para la limpieza de las membranas: 15 €cent/m3
 Suministros
- Coste de reposición de membranas: 600 €/m2 (Munir Cheryan, 1998, Cap. 7.G.).

21. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
INVERSIÓN Y COSTES DE OPERACIÓN
Configuración Inversión (€)
Costes de
Operación
(€/m3)
1 61079 6,793
2 64292 6,970
3 63200 6,883
4 61079 6,774 Resultados para la
configuración óptima en
modo “Batch”

22. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 1
Número de Etapas: 1
Etapa
Concentración Rechazo
(% peso)
Módulo Utilizado
1 40 KERASEP K19 B-X

23. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 1: Formulario con los datos de partida

24. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 1: Formulario con los resultados finales
Área Total Teórica (m2) Área Total Real (m2) Potencia Total de Bombeo (Kw)
11,743 11,8 0,348

25. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 2
Número de Etapas: 2
Etapa
Concentración
Rechazo (% peso)
Módulo Utilizado
1 25 KERASEP K07 B-X
2 40 KERASEP K07 B-X

26. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 2: Formulario con los datos de partida

27. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 2: Formulario con los resultados finales
Área Total Teórica (m2) Área Total Real (m2) Potencia Total de Bombeo (Kw)
6,649 7,56 0,227

28. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 3
Número de Etapas: 3
Etapa
Concentración
Rechazo (% peso)
Módulo Utilizado
1 20 KERASEP K37 B-X
2 30 KERASEP K07 B-X
3 40 KERASEP K07 B-X

29. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 3: Formulario con los datos de partida

30. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 3: Formulario con los resultados finales
Área Total Teórica (m2) Área Total Real (m2) Potencia Total de Bombeo (Kw)
5,597 7,89 0,149

31. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 4
Número de Etapas: 3
Etapa
Concentración
Rechazo (% peso)
Módulo Utilizado
1 20 KERASEP K07 B-X
2 30 KERASEP K01 B-X
3 40 KERASEP K01 B-X

32. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 4: Formulario con los datos de partida

33. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
CONFIGURACIÓN DEL PROCESO EN MODO “FEED-AND-BLEED”
• CONFIGURACIÓN Nº 4: Formulario con los resultados finales
Área Total Teórica (m2) Área Total Real (m2) Potencia Total de Bombeo (Kw)
5,597 5,715 0,194

34. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
COMPARACIÓN ENTRE CONFIGURACIONES
Configuración
Área Total
Teórica (m2)
Área Total
Real (m2)
Potencia
Total de
Bombeo (Kw)
1 11,74 11,80 0,348
2 6,64 7,56 0,227
3 5,59 7,89 0,149
4 5,59 5,71 0,194

35. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
DISEÑO DE EQUIPOS: DATOS DE PARTIDA
 TANQUES DE ALMACENAMIENTO
• Tanque de almacenamiento de alimento
El efluente se alimenta al proceso de forma continua. Para prevenir un posible fallo
en el suministro se preverá un periodo de autoabastecimiento de diez días.
• Tanque de almacenamiento de permeado
El permeado debe ser tratado previamente a su vertido. La duración de este
tratamiento es de un día, por lo que se preverá un tiempo de almacenamiento de
permeado de un día.
 SISTEMA DE CALEFACCIÓN
• Temperatura de trabajo: 25º C
• Temperatura ambiente: 21º C
 SISTEMAS DE IMPULSIÓN
• Rendimiento hidráulico: 70%
• Rendimiento mecánico: 70%
• Tanque de almacenamiento de rechazo
El efluente ya tratado, es decir, la corriente rechazo se devuelve a la planta de
fundición para su reutilización en el proceso. Esta devolución se realiza cada siete
días, por lo que se debe prever almacenamiento de rechazo para este periodo.
Temperatura óptima a la que
se han obtenido los
resultados experimentales
en laboratorio.

36. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
TANQUES DE ALMACENAMIENTO Y SISTEMA DE CALEFACCIÓN
Tanque
Volumen
(m3)
Tanque
almacenamiento
alimento
13,9
Tanque
almacenamiento
permeado
12,2
Tanque
almacenamiento
rechazo
12,2
Sistema de Calefacción
Caudal de calor necesario
(Kcal/hora)
5344,3

37. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
SISTEMAS DE IMPULSIÓN
Bomba
Potencia
Necesaria (Kw)
Bomba
Alimentación
0,049
Bomba
recirculación
etapa 1
0,127
Bomba
recirculación
etapa 2
0,020
Bomba
recirculación
etapa 3
0,016

38. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
INVERSIÓN Y COSTES DE OPERACIÓN
Configuración Inversión (€)
Costes de
Operación
(€/m3)
1 134090 10,87
2 111430 9,47
3 122310 10,09
4 106340 9,14
Resultados para la
configuración óptima en
modo “Feed-and-Bleed”

39. Prediseño de Plantas de Ultrafiltración Alfonso José García Laguna, Diciembre 2.002
COMPARACIÓN DE RESULTADOS
Configuración
Número
de
Etapas
Etapa
Módulo
Utilizado
Número
de
módulos
Número
de líneas
Área
Teórica
(m2)
Área real
(m2)
Potencia
Total de
Bombeo
(Kw)
Inversión
(€)
Costes de
Operación
(€/m3)
1 1 1 K19 B-X 4 2 11,74 11,8 0,348 134090 10,87
2 2
1 K07 B-X 6 2
6,64 7,56 0,227 111430 9,47
2 K07 B-X 1 1
3 3
1 K37 B-X 1 1
5,59 7,89 0,149 122310 10,092 K07 B-X 1 1
3 K07 B-X 1 1
4 3
1 K07 B-X 4 2
5,59 5,71 0,194 106340 9,142 K01 B-X 5 2
3 K01 B-X 4 2
 Área Teórica = f (Número de etapas)
 Área Real = f (Módulos utilizados)
 Caudal recirculación = f (Sección transversal de paso)
 Sección transversal de paso = f (Número de líneas,Módulo utilizado)
 Pérdida de carga = f (Número de módulos)
 Potencia de Bombeo = f (Caudal recirculación,Pérdida de carga)