Arístides Sotomayor - Tecnologías limpias y medio ambiente en el sector industrial peruano

Donde:

m : masa (kg)

U : energía interna (J)

u : energía interna específica (J/kg)

V : volumen (m 3)

v : volumen específico (m 3/kg)

H : entalpía (J)

h : entalpía específica (J/kg)

En los balances de energía, se produce la entalpía específica, que es una magnitud termodinámica cuya relación es la siguiente:

h = u + Pv

Donde P es la presión total del sistema en pascales (Pa). Para un sistema abierto en estado estacionario, las entradas son iguales a las salidas. En la ecuación de energía neta, asumiendo que no hay energía potencial y cinética considerable, ni trabajo efectuado, el calor transferido se reduce a los cambios de entalpía.

Para sistemas abiertos, donde la presión es constante o varía en forma despreciable, las entalpías usualmente se calculan en función de las capacidades caloríficas (a presión constante) de las sustancias.

Donde m y n representan la masa y la cantidad de moles, respectivamente; c P y son las capacidades caloríficas en kJ/kg•K y kJ/mol•K, respectivamente, las cuales son funciones de la temperatura, usualmente representadas por ecuaciones polinómicas del tipo c P= a + bT + cT 2+ dT 3 , c P= a + bT + cT –2 o formas más complejas. En el caso particular del aire húmedo, agua y sólidos húmedos, así como de temperaturas bajas (menores a 100 °C), la influencia de la temperatura es despreciable, por lo que se pueden utilizar valores constantes de la capacidad calorífica en función de la temperatura, y calcular con ellos las entalpías específicas (tomando como referencia el agua líquida a T 0= 0 °C).

En estas equivalencias, H representa la humedad del aire (kg agua/kg aire seco); χ, la humedad del sólido (kg agua/kg sólido seco); c Ps y c PA , las capacidades caloríficas del sólido seco y del agua líquida, respectivamente (esta última es igual a 4,184 kJ/kg); 1,005 y 1,88 son los valores medios de las capacidades caloríficas del aire seco y el vapor de agua, en kJ/kg, respectivamente (integración entre 0 y 100 °C); finalmente, 2501 es el calor latente de evaporación del agua a 0 °C en kJ/kg.

Para procesos con reacción química, debe considerarse, además, la energía o entalpía de reacción, debido a que las moléculas requieren o ceden energía para cambiar su composición. Dependiendo de si las reacciones son exotérmicas o endotérmicas, el sistema cede o gana calor; así, la ecuación anterior se convierte en la siguiente:

Donde Δ rH °representa el cambio de entalpía de una reacción, calculado como la suma de las entalpías de los productos menos la suma de las entalpías de los reactantes (usando entalpías estándar de formación y moles de cada compuesto).

Donde:

Δ rH °: entalpía estándar de reacción (kJ)

n : cantidad de moles de cada sustancia (mol)

Δ fH °: entalpía estándar de formación (kJ/mol), a 25 °C, 1 atm

Los datos de los coeficientes de las ecuaciones de capacidad calorífica, entalpías de formación y entalpías de cambio de fase (calores latentes) se pueden encontrar en diversos textos y manuales de termodinámica como Felder y Rousseau (2005), Himmelblau y Riggs (2012), Green y Perry (2006), y Haynes (2016), así como en varias fuentes de internet, en particular el Chemistry WebBook del National Institute of Standards and Technology (NIST, s. f.).

El agua cruda, que se obtiene de diversas fuentes, debe ser tratada para su uso, ya sea en el consumo humano (agua potable) o en la actividad industrial (agua industrial). En este acápite se desarrolla una breve introducción sobre el tratamiento típico del agua. Este proceso depende de la fuente del agua, de las tecnologías aplicadas y de su uso final, como agua potable o industrial. Su objetivo es mejorar las características físicas, químicas, fisicoquímicas y bacteriológicas del agua, de tal manera que, después de haber sido tratada, cumpla con los parámetros de calidad requeridos de acuerdo con los estándares establecidos por los organismos competentes. Por su parte, los equipos que se utilizan en el proceso están en función de la disponibilidad (caudal y estacionalidad) y el entorno de la instalación de la planta. Teniendo en cuenta estos parámetros, se determina el proceso de tratamiento adecuado del agua que permita cumplir con los objetivos de calidad exigidos por las normativas vigentes.

Las fuentes de agua son muy variadas; pueden ser aguas naturales superficiales o subterráneas, aguas tratadas previamente (filtradas, agua potable, entre otras), aguas residuales y efluentes industriales. Por ejemplo, si se requiere obtener agua potable para consumo humano y la fuente de agua es un río o un pozo artesiano, los procesos de tratamiento difieren debido a la posible presencia en el agua de río de sólidos tales como ramas, arena, cáscaras, arcillas, etcétera; y químicos, como detergentes, solventes o insecticidas, entre otros. Por otra parte, el agua de pozo arrastra arena por efecto de la succión, así como sustancias solubles y patógenas si existiera una fuente de contaminación cercana. En el caso de una empresa de teñido de tejidos de algodón, que utiliza agua potable como fuente de abastecimiento, el proceso de tratamiento de agua que se necesita es diferente (Sulem, Molina, Rojas, Power y Goñi, 2014).

Una vez conocida la información sobre las características del agua que se desea obtener y las características de la fuente de agua cruda, se debe saber la cantidad de agua que se va a tratar por unidad de tiempo, es decir, el caudal, para establecer los procesos y la secuencia de las etapas. El caudal es un factor determinante tanto en la selección de los equipos como en los costos de procesamiento, ya sea en proceso continuo o discontinuo ( batches o lotes), así como en el nivel de la tecnología utilizada y la fragmentación de los procesos. Todos estos factores son de gran importancia para determinar el grado de inversión.