METROLOGIA

CURSO
METROLOGIA Y
CONTROL DE LA
CALIDAD
26.11.19
1
Tecnología
Es el conjunto de conocimientos y experiencias que se obtienen
de las artes industriales, la ciencia, la investigación científica
y los oficios mecánicos que han sido desarrollados por el
hombre durante su existencia en el planeta y que se han ido
transmitiendo de generación en generación.
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2
Sistemas Ambientales
Conservación de masa y energía
Recursos
Ecosistema
Productos
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Residuos
3
Balance de masa de contaminante
S
E
E=S+R
Conservación de masa
R
Mat. Prima
xxx
yyy
BASE DE TIEMPO: T
% Contam.
x%
y%
masa (contam)
x
y
Prod. Finales % Contam. masa (contam)
www
kkk
w%
k%
w
k
Pérdida al ambiente:
Qm = (x + y) - (w + k)
…
4
Investigación de Aspectos Ambientales
Recursos
Residuos
Productos
Actividades
Procesos
Servicios
Normales
Anormales
Emergencia
Presentes
Pasados
Futuros
Investigación
Multidimensional
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5
Etapas de un proceso productivo
Preparación de
la materia prima
Proceso
Reacción
Acondicionamiento
del Producto Final
M.P.
Px
Rx1
Rx2
Residuos = Rx1 + Rx2 + Rx3
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Rx3
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Termodinámica Ambiental
Es el estudio de las transformaciones de la
energía y sus manifestaciones respecto de
los sistemas ambientales
Abierto
Sistema
Ambiental
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Cerrado
Aislado
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Leyes de la Termodinámica
1era Ley :
La Energía no se crea ni se destruye, sino
que únicamente se transforma
2da Ley
:
El calor se transmite de la parte más
caliente hacia la más fría de manera natural e irreversible
3ra Ley
:
La entropía establece una medida para el
desorden de los sistemas
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Desorden Ambiental
Fuga de Gas :
El gas se expone directamente al me
ambiente ante la fuga
PGAS >> Rmaterial FUGA
Reacción
:
El producto de la reacción es el
que se expone al medio ambiente
Ecuación general del desorden ambiental:
dS = dQ/T = nCpdT/T = SnSCpdT/T
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9
Tecnología de
Residuos Sólidos
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10
Tecnología de Residuos Sólidos
Productividad por TM
1 TM
Residuos
Sólidos
100 m3 gas
10 Kg Sulfato de Amonio
12 lt Alquitrán
11 lt aceite ligero
Criterios Generales :
• Necesidad de esterilización
• Compresión y reducción de volumen
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Compresión y Reducción de volumen
Masa (m)
V1 , dsistema
V2 = lV1
Masa (m)
V2 , dmaterial
1 - l : Capacidad de Reducción de volumen (%)
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Técnicas de manejo de residuos sólidos
I. Vaciadero Controlado
Extracción
magnética
A
selección
Compresión
El vaciadero controlado permite reducir el volumen
de los desechos y seleccionarlos adecuadamente
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Al Relleno
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Sanitario
Técnicas de manejo de residuos sólidos
II. Relleno Sanitario
dP
T1
T2
El Relleno Sanitario permite
la acción de la
descomposición bacteriana y
la degradación biológica
provocando un cambio en
las características del
terreno
T3
T4
Espesor: Grava, tierra o arcilla (5cm-15 cm)
Altura 26.11.19
de capas (1,5m-3,5 m)
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Técnicas de manejo de residuos sólidos
III. Relleno Químico
70% Químicos
30% libre
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• Cilindros de PVC
con tapa plástica
• Monitoreado 70-30
• Tapa de cemento
cubierta con tierra
• Debe recibir sólo
desechos químicos
en estado sólido
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Técnicas de manejo de residuos sólidos
IV. Material Radioactivo
Confinamiento
Bloques de concreto armado
con un espesor mín. de 50 cm
dentro de recipientes de concreto
a enterrase en algún lugar predeterminado como basurero
nuclear
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Técnicas de manejo de Residuos sólidos
V. Incineración
Gas de combustión
(cogeneración, adsorción)
Aire
RSU
dQ
Calor
Desechos
Sólidos La incineración permite la recuperación del calor y
reduce hasta el 80% en volumen
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Técnicas de manejo de residuos sólidos
(Manejo de lodo aceitoso)
Lavador
Centrífuga
Aceites, CxHy (l), H2O (l), etc.
(A destilación)
Aceite, tierra,
arena, CxHy,
etc.
Aire
gas
RSU
Desecho
Semisólido
Lodo sólido
húmedo
Lodo
Sólido
Agente
Lodo Residual
(A Relleno)
Poza Biológica
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Sólido (A Relleno)
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Tecnología de
Efluentes líquidos
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19
Tecnología de Efluentes Líquidos
Cursos de Agua
Son sistemas combinados ( líquido, sólido y
semisólido) que se orientan como flujo hacia
una posición de equilibrio
Fuente
A
B
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Sumidero
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Teoría de la Lágrima
Curso de
agua
contaminada
Lágrima de
agua residual
El éxito de toda solución y/o tratamiento ambiental
radica en una correcta caracterización de la lágrima
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%S
% Metales
DBO ??
pH ??
TºC ??
…...
21
Estrategia de tratamiento
de Cursos de Agua Contaminada
1. Caracterización del vertido
2. Reducción de volumen
3. Neutralización de aguas contaminadas
4. Igualación y Proporcionalidad
5. Eliminación del elementos sólidos
6. Disposición final de efluentes líquidos
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1. Caracterización del vertido
• Parámetros Fisicoquímicos
• Parámetros Microbiológicos
• Parámetros tóxicos y radioactivos
• Volumen (Magnitud)
• Frecuencia de emisión
• Nivel de Riesgo
• Nivel de Control
• Nivel de ahorro
El éxito de un buen
tratamiento depende
de una adecuada
caracterización….
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2. Reducción de Volumen
Estrategias:
• Separación de vertidos
• Retención de agua residual
• Reutilización de flujos
• Regulación de puntos de descarga
• Reorganización de consumos y desechos
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24
Acido
Vertido
Neutro
Básico
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Carbonatación
Mezcla
Neutralización Clásica
Gasificación
Mezcla
Neutralización Clásica
Sumidero
3. Neutralización de Aguas Contaminadas
25
Neutralización de Aguas Contaminadas
Mezcla de Vertidos
pH
Vertido Básico
Neutro (Mezclado)
Vertido Acido
Tiempo
La mezcla se utiliza para alcanzar un vertido con pH neutro
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26
Neutralización de Aguas Contaminadas
Carbonatación
Se hace uso de carbonatos para neutralizar los
vertidos ácidos del modo siguiente:
H2SO4 + CaCO3
CaSO4 + H2CO3
En general:
HnX +CaCO3
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CaX + HnCO3
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Neutralización de Aguas Contaminadas
Neutralización Clásica
H2SO4 + 2Na(OH)
Base
Na2SO4 + 2H2O
Consiste en la obtención de un pH
neutro a través de la dosificación ácido
/ base
Acido
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Neutralización de Aguas Contaminadas
Gasificación
Se utiliza gas de combustión para
neutralizar los vertidos alcalinos
CO2 + H2O(R)
Gas de
Combustión
Agua Residual
H2CO3 + 2Na(OH)
Acido Carbónico
Carbonato Sódico
Acido Carbónico
Na2CO3 + 2H2O
Soda en agua residual
Na2CO3 + H2CO3
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H2CO3
Carbonato Sódico
Agua residual
más Pura
2NaHCO3
Acido Carbónico
Carbonato ácido de sodio
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Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
Es la capacidad para absorber oxígeno que tienen los organismos
orgánicos bio-degradables de un curso de agua y se expresa en ppm ó
mg/l
Constante de Desoxigenación (K1 )
K1 = (1/Dt)log(LA/LB)
Constante de Reaireación (K2 )
K2 = K1(Lprom/Dprom ) - DD/((2.3Dt)Dprom ))
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30
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO)
DBO
Industria Productos
Orgánicos y
Biológicos
Agua Residual Urbana
Industria Productos
Inorgánicos y otros
Tiempo
Tendencias de la Industria por sectores
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31
4.Igualación y Proporcionalidad
Igualación
Método empleado para retener los vertidos en un depósito de
tal modo que pueda mantener uniforme sus características
sanitarias (pH, color, turbiedad, DBO, DQO, etc)
• Tiempo de Residencia ( t )
• Reducción de la concentración de contaminantes
por reacciones físicas, químicas y biológicas de
forma natural o artificial.
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32
Proporcionalidad
Método que permite descargar los vertidos del sector
industrial en proporción al sistema de alcantarillado
• Control Manual
• Control Automático (Instrumentación)
Deposito de
aguas residuales
Control
Alcantarillado
H2O(R)
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Bomba
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5. Eliminación de elementos Sólidos
Sólidos en suspensión
SEDIMENTACION
Sedimentador
Clásico
Sedimentador de
Serpentín
V =26.11.19
(4/3)((g)(f)/Cd)((rs-1)/rs)
34
Sólidos en suspensión
FLOTACION
H2O(R)
Agente
Material
Flotante
Los sólidos en suspensión
se convierten en materia
flotante fácil de colectar
H2O
Se pueden utilizar como agentes: agitadores, espumas, aire disuelto o aire
comprimido dosificadas por presión o por la generación de vacío.
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35
Sólidos Coloidales
Coloide:
Es una partícula generalmente cargada
eléctricamente que debido a su tamaño ( 1 a 200
mmm ) se halla suspendida en los líquidos.
Liofóbicos
Coloides
Muy cargados: Óxidosde plata, sulfuros,
metales, etc.
Liofílicos
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Proteínas, almidones, gomas,etc.
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Sólidos Coloidales
COAGULACION QUIMICA
Agente
Coagulante
H2O(R)
Coagulantes:
H2O
Coloides
sedimentados
Al2(SO4)3.18H2O , Fe(SO4).7H2O , FeCl3 , etc.
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37
Sólidos Coloidales
TRATAMIENTO ELECTROQUIMICO
Anodo (+)
Cátodo (-)
H2O
H2O(R)
Coloides
sedimentados
Fe+
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SO4=
H+
……...
38
Sólidos Coloidales
ADSORCION
(Pesticidas y químicos)
Material
higroscópico
H2O
H2O(R)
Coloides
retenidos
Se suele utilizar carbón activado o resina preparada para
adsorción química de coloides
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39
Sólidos Inorgánicos
DIÁLISIS
(Acidos y Sales)
H2O(R)
C1
Ecuación de Difusión :
Membrana
dialítica
C2
H2O
Sólidos
Inorgánicos
Q = a A t ( DC )
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40
Sólidos Inorgánicos
INTERCAMBIO CATIONICO
Retención selectiva de
Ca++ y Mg++ debido a la
H2O(R)
presencia de una resina
ZeX
regenerable llamada
“Zeolita : Ze”
H2O
Regeneración
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41
Sólidos Inorgánicos
INTERCAMBIO ANIONICO
Retención selectiva de
H2O(R)
ácidos por la acción de una
resina especial: X
X
H2SO4 + X
H2O
HCl + X
X. H2SO4
X. HCl
Regeneración
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42
Sólidos Inorgánicos
CULTIVO DE ALGAS
Algas activadas
H2O
H2O(R)
Tiempo de Residencia : T
Las algas consumen elementos esenciales de los vertidos
industriales ( C, N, P, S, K, Mg, Mn, Ca, Fe, Si, Zn, Cu, Mo,
B, Va, Co, etc)
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43
Sólidos Inorgánicos
OSMOSIS INVERSA
(Partículas muy finas)
Membrana
osmótica
P >>P0
H2O
H2O(R)
Sólidos
Inorgánicos
P0 : Presión Osmótica
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Sólidos Orgánicos
LAGUNA DE OXIDACION
Superficie
Oxidación Aerobia
(Superficie)
Oxidación Anaerobia
(Fondos)
Tiempo de Residencia : T
H+ + C11H29O7N + 14O2
Materia Orgánica
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11CO2 + 13H2O + NH4+
Productos
45
Sólidos Orgánicos
LODO ACTIVADO
Lodo
Activado
H2O
H2O(R)
Aire
Inyección
de Aire
Sólidos
Residuales
El lodo es biológocamente activo por lo que actua sobre el curso líquido
adsorviendo sólidos orgánicos
26.11.19
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Sólidos Orgánicos
BIOTECNOLOGIA
Bacterías
Preparadas
H2O
H2O(R)
Aire
Inyección
de Aire
Sólidos
Residuales
Existen familias de productos BIO-Reductores
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Tecnología de gases,
vapores y humos
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48
Clasificación de las partículas en el aire
f <= 1m
Aerosoles (muy finas)
Humos (gases)
Vapores (seudogases)
Partícula
f > 1m
Polvos (partículas sólidas)
Nieblas (gotitas líquidas)
Nota : 1m = 10 -4 cm
26.11.19
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Conceptos Fundamentales
• Emisión gaseosa : Fuente ( ppm )
• Inmisión gaseosa : Calidad del aire ( mg/m3 )
• Contaminantes gaseosos : COx , NOx , CxHy ,
SOx , HxS , Oxidantes, HF, etc.
• Exceso de aire ( 8 - 12%) : Llama azulada
• 1ppm = 1 mg/l = 1000 mg/m3
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50
1. Óxidos del Carbono : CO y CO2
C + O2
CO2 (Combustión completa)
2C + O2
2CO(Combustión Incompleta)
• El CO es un gas altamente tóxico
• La principal fuente es el parque automotor
• El incremento de COx en la tierra : 0,7 ppm/año
• La exposición a 1000 ppm de CO2 producen la
pérdida del conocimiento en una hora y la muerte
en cuatro horas
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51
El Calentamiento Global : D CO2
• Principales fuentes:
1. Emisiones de COx (D 0,7 ppm/año)
2. Calor Perdido (Ineficiencias)
3. Polución Química
• Los principales efectos son los siguientes:
1. Incremento de 2,8°C (últimos 20 años)
2. Cambio Climático (Estaciones)
3. Incremento de la temperatura del mar
4. Otros fenómenos ( Niño ??)
26.11.19
52
2. Hidrocarburos : CxHy
•
•
•
•
•
Fuente : Evaporación de combustibles
Son cancerígenos, irritantes y malolientes
Experimentan cambios al contacto con el aire
Altamente tóxicos e inflamables
Pueden ser recuperados comercialmente
Cerca del 35% del combustible se
pierde por evaporación en todas
las actividades con hidrocarburos
26.11.19
53
3. Óxidos del Azufre : La luvia ácida
• Deterioro de la Calidad del Aire, Agua, Suelos, emisión de
metales pesados y deterioro de la infraestructura
• Proceso de la lluvia ácida:
S + O2
SO2
SO2 + (1/2)O2
SO3
SO3 + H2O
H2SO4
• Datos Relativos al pH de la lluvia (mm de lluvia)
1. Europa central (1996) pH 4,0
2. Tokyo, Japón (1997) pH 4,5
3. Lima, Perú (1998) pH 4,2 ( 1963 registro pH 6,3)
26.11.19
54
4. CFCs (aerosoles) : La capa de Ozono
• Protección de rayos UV del Sol deteriorada por la
emisión de aerosoles (CFCs)
• Adelgazamiento medido de hasta 35%
• Fenómeno de carácter irreversible con cambios
drásticos como cáncer a la piel y mutaciones en
especies de flora y fauna
26.11.19
55
5. Óxidos del Nitrógeno : NO y NO2
N2 + O2
2NO + O2
2NO(Monóxido de nitrógeno)
2NO2 (Dióxido de nitrógeno)
• La principal fuente es el desecho de aeronaves
• Causante extremo de niebla : smog ( NO2 )
• Casi todos los óxidos del nitrógeno se reducen a
NO2 en presencia del aire
26.11.19
56
6. Sulfuro de Hidrógeno : H2S
• Fuente : Aguas negras y desagües
• Venenoso y de muy mal olor
• Empaña la plata y ennegrece las pinturas
7. Fluoruro de Hidrógeno : HF
• Gas de alto peligro para la vegetación
• Fuente : fabricación de aluminio industrial
8. Oxidantes : Ozono
• Peligroso agente germicida
• Produce grietas en el caucho
• Es26.11.19
remanente de motores eléctricos
57
Efectos de la Contaminación del aire
•
•
•
•
•
•
Reducción de la visibilidad
Daños causados a la vegetación
Enfermedades humanas : Toxicología
Daños causados a los animales
Deterioro de materiales
Deterioro de Infraestructura física
26.11.19
58
Estrategias de gestión de efluentes gaseosos
Mejora en la gestión
de los residuos
Mejora en la
adquisición de
los insumos
Balance de masa
y proporción de
contaminantes
Adsorción, lavado
y/o tratamiento
Mejora en la eficiencia
de los procesos
Balance
de masa y energía, control operacional
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Análisis de dispersión atmosférica
Ecuación de
Pearsón-Bosanquet
z
p
Co=
u
q
x
(Qm 106)e(-h/px)
2p pq u x2
Co
Co
y
x
26.11.19
60
Estado Crítico (dC/dx = 0) :
Co(max) =
h =
26.11.19
xmax =
h/2p
2,15 (Qm105)(p/q)
uh2
Concentración
máxima de contaminante
2,15 (Qm105)(p/q)
uCo(max)
Altura de
Seguridad
Ambiental
61
Derrame de gas : Impacto Ambiental
h1
h2
h3
h
Consideraciones
h4
• Altura crítica legal si:
Co(max)= Stdmax(Ley)
• Poblado más cercano
• Puntos de monitoreo
……hn
u
26.11.19
62
Equipo de tratamiento
Ciclón (Separación gas-sólido)
Gas limpio
La mezcla ingresa por el ducto
y debido a la fuerza centrípeta
los sólidos se
separan del gas y precipitan
gas con
partículas
26.11.19
Polvo colectado
63
Equipo de tratamiento
Torre de Adsorción ( Separación gas-sólido)
Gas limpio
La mezcla ingresa por el ducto y se
realiza adsorción para la limpieza del
gas y la recolección de las partículas
(Se adsorve en el material)
gas con
partículas
polvo colectado
26.11.19
64
Equipo de tratamiento
Absorción ( Separación gas-líquido)
Gas limpio
Solución
absorvedora
La mezcla ingresa por el ducto y se
realiza absorción para la limpieza del gas
y la separación del líquido debido al
arrastre con una solución absorvedora
gas con
líquido
26.11.19
líquido residual
65
Equipo de tratamiento
Precipitador electrostático
Gas limpio
Se utiliza para partículas cargadas
eléctricamente haciendo uso de
una superficie colectora de
carga opuesta y de un electrodoeje de igual carga que las partículas
Electrodo
.
Gas con
26.11.19
partículas
Polvo colectado
66
Tecnología del calor,
ruido y vibraciones
26.11.19
67
Calor
Forma de energía que es función
de la temperatura Q = Q(T)
Transmisión de Calor
Q(T)
•
Conducción (Sólidos)
• Convección (Fluidos)
• Radiación
(Energía radioactiva)
Q(T1 )
26.11.19
Q(T2 ) , T1 >> T2
68
Factores del intercambio calórico
Fuente
Objetivo
Medio
•
•
•
•
•
Temperatura del aire
Velocidad del aire
Humedad del aire
Temperatura radiante de la fuente
Sensibilidad del objetivo
26.11.19
69
Aislamiento Térmico
A
q=
T1
q
-k A dT
B
q
T2
dx
D xA
r2
26.11.19
r1
longitud (l)
D xB
T3
.
r2
2p lk
(T1-T2 )
ln r
q=
r1
70
Generación de Vapor
CALDERO
Equipo que genera vapor para producir fuerza en
procesos industriales, transmitiendo calor de una
fuente externa (combustible) a un fluido (agua)
Vapor
H2O blanda
CxHy
26.11.19
O2 (Aire)
Exceso de
Aire: 8-12%
71
Calderos
• Estacionarios (Acuotubulares, pirotubulares)
• Portátiles (Navíos, locomotoras, etc)
• De calefacción (Casas, edificios, ciudades, etc)
• De generación térmica y/o eléctrica
Cogeneración
Proceso que consiste en aprovechar la energía de
los gases para canalizarla en la producción de
electricidad, disminuyendo los costos y haciendo
más eficiente el proceso.
26.11.19
72
Tratamiento de desechos radioactivos
Fuentes de radioactividad
a: Haz de núcleos de
Helio
Material
Radioactivo
b : Haz de electrones (e-)
g : Haz lumínico (l muy corta)
La radioactividad es independiente del medio y de las condiciones físicas ( p, T, V,
E, B, etc) y solo depende de la cantidad de material radioactivo de la fuente
26.11.19
73
Fisión Nuclear (Bomba atómica)
X + Y + an
U235 + n
Reaccionantes
Siempre :
Productos
mproductos < mreaccionantes . . Dm > 0
.
Este pequeño Dm se transforma en una enorme cantidad de energía
mediante:
E = (Dm) c2
“Energía liberada violentamente…”
26.11.19
74
Decaimiento radioactivo
Zn64 + b
Cu64
Núcleo
Inestable
Tiempo : 12,8 horas
Isótopo
Estable
Q = Ce-lt
dQ
= -l Q
dt
l : Constante de decaimiento radioactivo
Vida Media :
26.11.19
Vm =
ln2
l
75
Materiales explosivos
• Polvora : KNO3 + C + S
• Fulminato de Mercurio : NaNO3 + S + C + Hg
• Nitroglicerina :
C3H5(OH)3 + 3 HNO3
C3H5(NO3 )3 + 3H2O
• Dinamita : 75% Nitroglicerina + C + Serrín
• Trinitrotolueno : C6H5CH3(NO2 )3
26.11.19
76
Afinidad de Reacción de algunos materiales
Li
K
Ba
Ca
Na
Mg
Al
Mn
Zn
Fe
Ni
26.11.19
Reaccionan
violentamente
con H2O fría
y con ácidos (HX)
Reaccionan
violentamente
con H2O (vapor)
y con ácidos (HX)
Cu
Ag
Au
Pt
Estaño
Plomo
No reaccionan
ni con agua ni
con ácidos
No reaccionan
con agua
Reaccionan
lentamente con
ácidos (HX)
77
El Ruido
Es la superposición anárquica de ondas sonoras
de diferente frecuencia e intensidad que puede ser
desagradable, intolerable y/o dañino.
• Banda Ancha (Maquinaria, Equipo pesado, etc)
• Banda Angosta (herramientas, equipo liviano, etc)
• Intermitente (Disparos, martillos, troqueles, etc)
26.11.19
78
Decibeles (dB)
Medida del nivel de presión del sonido (NPS)
dB = 20 log(P/P0 )
Po : Presión del sonido mínima audible 0,0002 dinas/cm2
Sonido :
( 0,0002 dinas/cm2
Magnitud (dB)
00 - 10
10 - 30
30 - 50
50 - 80
80 - 100
100 - 120
26.11.19
120 - 180
2.000 dinas/cm2 )
Efecto
Audible
Muy bajo
Bajo
Fuerte
Muy Fuerte
Molesto
Doloroso
79
Adsorción de ruido
Sonido
Fuerte
l1
l2
l3
l4
Sonido
Débil
l1
l2
l3
l4
Se logra combinando superficies duras y blandas
26.11.19
80
Vibración
Todo aquel movimiento de vaivén de la materia
Mq
Mq
Materiales Aislantes
• Caucho
• Lana de vídrio
• Plásticos, espumas
• Material
celular
26.11.19
Amortigüador
• Sólidos (resortes)
• Líquidos o gaseosos
81