AIREACION Y TRANSFERENCIA DE GASES

DEFINICIONES aireación • es el proceso mediante el cual el agua se pone en contacto íntimo con el aire para modificar las concentraciones de sustancias volátiles contenidas en ella.

transferencia de gases • Fenómeno físico acompañado de cambios químicos, bioquímicos y biológicos mediante el cual, moléculas de un gas son intercambiadas en la interface gas líquido

IMPORTANCIA Se utiliza para eliminar gases disueltos y no deseados, eliminar substancias inorgánicas disueltas, por oxigenación, tales como hierro o manganeso.

El caso más importante es la transferencia de oxigeno al AR y luego al floculo bacteriano, cuyo objetivo es llevar a cabo todas las reacciones aerobias que son fundamentales en la procesos de lodos activados y filtros biológicos.

La flotación, elimina grasas, sólidos y concentrar fangos. proceso de desinfección con cloro en forma gaseosa.

En los procesos de tratamientos biológicos

En AR brutas, aumentar la eficacia en las operaciones posteriores al tratamiento.

Sistemas con Aireación

Organismos vivientes responsables de grandes transferencias de gas, las algas.

TEORIAS DE TRANSFERENCIA DE GASES 

En los últimos 50 años se han elaborado diversas teorías que pretenden explicar el mecanismo de transferencia de gases.



La más sencilla y la mas empleada es la Teoría de Doble capa propuesta por Lewis y Whitman. El modelo de penetración de Higbie y el modelo de renovación superficial por Dankewerts que son más teóricos y tienen en cuenta mayor numero de fenómenos que influyen en el proceso.

Movimiento de un fluido cuando este es ordenado, estratificado, suave. El fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse Cada partícula sigue una trayectoria suave llamada línea de corriente Velocidades bajas, viscosidades altas

Movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de estas se encuentran formando pequeños remolinos. Fluidos de velocidades altas, viscosidades bajas o grandes caudales.

TEORIA DE DOBLE CAPA

Modelo propuesto por Lewis y Whitman en 1924. Más sencilla y más ampliamente empleada. La teoría de la doble capa se mantiene vigente debido a que proporciona resultados idénticos a otras teorías mas complejas en el 95% de los casos.

Se basa en un modelo físico , según el cual, en la interfase gas líquido existen dos capas, una capa gaseosa y una capa líquida, por las cuales se transfiere el gas por difusión molecular. Gases ligeramente solubles  capa líquida Gases muy solubles  capa gaseosa

Gases de solubilidad intermedia  amabas capas

1) Paso del gas a través de la fase gaseosa hacia la interfase.

2) El gas debe atravesar la capa gaseosa situada en el lado de la fase gaseosa de la interfase. 3) Este debe atravesar la capa líquida situada en la fase líquida de la interfase.

4) El gas debe dispesarce a través de la masa principal de la solución.

La cantidad másica de gas transferido se calcula con base a la teoría de Fick, para definir el fenómeno de difusión: 1)

2)

El gas se mueve espontáneamente de una región de alta concentración a una de baja concentración, y a medida que la diferencia de concentración es mayor, la tasa de difusión aumenta.

3)

Integrando la ecuación 3 se obtiene el valor de la concentración del gas para cualquier tiempo t:

4)

Representación gráfica de la ecuación 4.

Gas cristalino que se dispersa en una masa líquida a través de la interfase líquido-gas.

Concepto de la película doble

película fina de gas + película de líquido en la interfase

originalmente para un fenómeno de transferencia en “estado de equilibrio continuo”

flujo continuo e invariable de todos los componentes del sistema

Desarrollado por Lewis y Whitman

[C] son cte con el t y además se mantiene cte las condiciones ambientales de P y T°.

N = masa de oxígeno transferido, Kg O2/h KL = coeficiente de difusión de oxígeno en la película líquida, m/h A = área interfacial, m2 Cs = concentración de saturación del gas en el líquido, mg/L Cl = concentración de oxígeno en el líquido, mg/L

Excluye una variación de concentración de oxígeno en el agua, lo cual en la práctica es imposible.

EQUILIBRIO DISCONTINUO [C] del gas en cualquier punto del sistema cambian con el t.

Cambios en la [C] de O2 en el aire, su flujo, o cambio en las condiciones ambientales de P y T°.

FLUJO ESTACIONARIO No existen flujos dentro o fuera del sistema

FLUJO SEMIESTACIONARIO Una fase es estacionaria mientras la otra fluye continuamente dentro y fuera del sistema.

LOS PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO HAN SIDO DESCRITOS COMO UN FENÓMENO QUE OCURRE EN TRES ETAPAS:

1era Etapa

• Las moléculas de gas son transferidas a la superficie del líquido, resultando en condiciones de saturación o de equilibrio en la interfase. • La v de transferencia es muy rápida y la película de gas-líquido es muy fina, estimada de, por lo menos, tres moléculas de espesor.

• Las moléculas de oxígeno atraviesan esta película por difusión molecular.

2da Etapa

• El oxígeno se dispersa en el líquido por difusión y convección.

3era Etapa

El efecto de la turbulencia en el mecanismo de transferencia de O2 es crítico.

En condiciones de reposo o de flujo laminar, la masa de O2 transferida es controlada por la difusión molecular a través de la película que permanece constante (etapa 2).

En condiciones de turbulencia, se produce una ruptura de la película y la masa de O2 transferida es controlada por la velocidad de renovación de la película.

Esta velocidad de renovación de la interfase puede definirse como la frecuencia con la cual un líquido de concentración Cs está siendo reemplazado por un líquido de concentración Cl.

El mecanismo de transferencia de oxígeno ha sido descrito con la siguiente expresión:

DL = coeficiente de difusión molecular, m/h r = velocidad de renovación de la interfase, m3/m2/h L = espesor de la película líquida, m

En la ecuación anterior cuando la velocidad de renovación superficial es igual a cero en condiciones de reposo, la transferencia es controlada por difusión a través de la película:

Cuando existen condiciones de turbulencia r incrementa y controla el mecanismo de transferencia:

Para condiciones de “equilibrio discontinuo”, con flujo estacionario o semiestacionario, la ecuación (1) puede expresarse :

KLa = coeficiente global de transferencia de oxígeno (h-1), V = volumen del líquido, m3

FACTORES QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE OXIGENO El oxigeno es un factor esencial en los procesos de oxidación biológica aerobia, es primordial su consideración para el diseño del equipo y la operación.

grado de solubilidad • determina la velocidad de transferencia de este gas desde la fase vapor a la fase solución.

Función • presión parcial del gas presente en la atmosfera • la temperatura del agua • la concentración de las impurezas presentes en el agua.

La predicción de las velocidades de transferencia de oxigeno en los aireadores se suele basar en la ecuación:

Las correcciones mas comunes se aplican a aguas residuales a una temperatura T, presión distinta a la normal y un valor de la concentración de oxigeno disuelto donde Cs > 0. Para esto se puede escribir la ecuación de la siguiente manera.

Si hacemos una relación entre la capacidad de oxigeno definida y la real, viene dada por:

Donde la concentracion de oxigeno disuelto para gaua de saturacion corriente a T=20°C, P=760 mmHg es 9,2 mg/l.

Efecto de la Temperatura 

Se ha observado que se incrementa con la temperatura, por lo tanto se propuso la siguiente ecuación para tener en cuenta el efecto de la temperatura:



Donde para agua corriente, para agua residual varia según las condiciones del ensayo, suele situarse en el intervalo de 1,015 y 1,040. La ecuación por la tanto puede expresarse:



EFECTO DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL Presencia de agentes activos superficiales

Efecto marcado en la transferencia de O2 al modificar KLa

Estos compuestos se encuentran en la interfase de modo que su contenido resulta más alto que en el líquido.

Puesto que KLa incluye tanto el coeficiente de la película líquida KL y A/V, se deduce que el grado de turbulencia o mezcla tiene influencia en la transferencia de O2.

Influencia del grado de mezcla, para tres regímenes de turbulencia, en términos de los coeficientes α y α’.

Se observa un decremento de α y α’, con un grado de turbulencia hasta un mínimo en el cual el factor que controla la transferencia de oxígenos cambia de KL a A/V. Con un mayor grado de turbulencia α se recupera por efecto de un incremento del área de contacto, pudiendo llegar a un valor más alto que 1.

Se observa la influencia de la concentración de surfactantes en α y α’ para dos tipos de sistemas de aireación. Para aireación superficial con una alta intensidad de mezcla, puede no existir una depresión de α’ debido a una alta velocidad de renovación generada. Para sistemas de aire comprimido α’ disminuye con un aumento de concentración permaneciendo constante más allá de la concentración crítica.

Durante el proceso de biooxidación se puede esperar un decremento o recuperación de α debido a que las sustancia que interfieren con el mecanismo de transferencia de oxígeno son removidas por el procesos biológico.

EJERCICIO 

Determinar el valor aproximado de KLa a partir de los datos de ensayo de un aireador de superficie. A partir de los datos de campo, estimar el valor aproximado de KL a 20°C mediante un análisis de regresión lineal. La temperatura del agua es 15°C.

tiempo min

DO conc mg/L

4

0,8

7

1,8

10

3,3

13

4,5

16

5,5

19

5,2

22

7,3

Solución 1. Escribir la ecuación

La forma integrada de la ecuación anterior

Donde (Cs –Ct) y (Cs-C0) es el déficit de saturación de oxigeno inicial y final

2. Determinar (Cs –Ct) y graficar (Cs –Ct) vs Tiempo a. Cs (15°C) = 10,15 tiempo min

Cs –Ct

4

9,35

7

8,35

10

6,85

13

5,65

16

4,65

19

4,95

22

2,85

10 4, 9,35 9 7, 8,35

8

7

10, 6,85

6 Cs -Ct

13, 5,65 5 16, 4,65

19, 4,95

4

3

22, 2,85

2

1

0 0

5

10

15 tiempo min

20

25

3. Determinar el valor de KLa a 20°C

SISTEMAS DE AIREACIÓN Y TRANSFERENCIA DE GAS

Gas comprimido Aspiradores Agitadores mecánicos

Gas comprimido



DIFUSOR TIPO BURBUJA

CLASIFICACION DE SISTEMAS DE GAS COMPRIMIDO

AIRE DIFUNDIDO

GAS COMPRIMIDO

PLACAS POROSAS, MEMBRANAS O TUBOS

ELEMENTOS MOVILES

RODETES O TURBINAS DE DISPERSION

ELEMENTOS FIJOS

ORIFICIOS , ROCIADORES Y DISPOSITIVOS DE CORTE

AIRE DISPERSADO

RESTRICCIONES • Profundidad de 4,5m • Ancho de el doble de la profundidad, 9m • Caudal necesario de 17 metros cúbicos de aire por hora por metro lineal del tanque (necesario para obtener una velocidad trasversal de 4,56m/s) • Producir con lo anterior una corriente vertical trasversal

Para evitar la deposición de floculas de fango activado se necesita una velocidad de 0,152 m/s a través del fondo del tanque.

EFICIENCIA SISTEMA: • AIRE COMPRIMIDO • DISPERSION POR TURBINA

EFICIENCIA: • 12% • 25%

* CONDICIONES DE CAPACIDAD NORMAL: 20°C, 760mmHg, ODi=0 SD=500mg/L

VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA

• 0,82 Kg/CV hr* • 1,13 Kg/CV hr

Sistemas de aspiración

CLASIFICACION SISTEMAS DE ASPIRACION

HIDRAULICA

BOMBA CON EFECTO VENTURI

MECANICA

PALETAS HUECAS

GENERADOR DE VORTICES

ASPIRACION HIDRAULICA 0,45 – 2,7* Kg/CV hr *A COMP

El liquido pasa por un tubo Se bombea venturi el liquido a presión

Una abertura permite la entrada y mezcla del liquido con el gas

SISTEMA DE ASPIRACION MECANICA

ASPIRADOR DE PALETAS EL TAPONAMIENTO DE ASPIRADORES REPRESENTA PROBLEMA SERIO

GENERADOR DE VORTICE 0,45 – 0,73 Kg/CV hr

SISTEMAS MECÁNICOS

CLASIFICACION

TIPO ESCOBILLA

SUPERFICIALES SISTEMAS MECANICOS

TIPO TURBINA

SOPLANTES DE AIREACION

AIREADORES SUPERFICIALES

AIREADOR TIPO ESCOBILLA • GIRA EN EJE VERTICAL • VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA • 1,59-2,27 Kg/CV hr

AIREADORES SUPERFICIALES AIREADOR TIPO TURBINA • FUNCIONA COMO UNA TURBINA • LOCALIZADOS CERCA DE LA SUPERFICIE • GIRA EN TORNO A EJE VERTICAL • VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA DE GAS: • 1,13-3,405 Kg/CV hr

Dispositivos aireadores

Los equipos de aireación empleados en el tratamiento de aguas residuales son de tres tipos: 

Equipos de aireación difusa o de aire comprimido, en los que el aire se rompe en burbujas y se dispersa a través del tanque.



Sistemas de turbina, en los cuales se dosifica aire debajo de las paletas de rotación de un impulsor sumergido.



Sistemas de aireación superficial, en los cuales un equipo colocado en la superficie del agua ejecuta la transferencia de oxígeno mediante turbulencia superficial y aspersión del agua.

Aireación difusa 

se define como la inyección de gas, aire u oxígeno, bajo presión, por la parte inferior de la superficie libre del fluido.



Los difusores lanzan, a través del agua o fluido, burbujas de aire provenientes de toberas o distribuidores colocados en el fondo del tanque de aireación.



El aire aplicado proviene de un compresor, con una presión en el fondo del tanque de aireación que depende de la profundidad del agua en el mismo, de las pérdidas en la tubería de distribución y de la tasa de aplicación.

El uso del aire difuso, para aireación y mezcla, en sistemas de tratamiento de aguas residuales, es muy amplio, especialmente en procesos de lodos activados.

Los difusores producen burbujas pequeñas mediante el uso de medios porosos como carborundum, fibra de vidrio torcida, materiales envueltos en sarán o unidades con orificios.

Los difusores preferidos son los de poro fino (2 a 5 mm), seguidos de los de poro semifino (6 a 10 mm) y los de burbuja gruesa (>10 mm).



La eficiencia en transferencia de oxígeno depende principalmente del diseño del difusor, del tamaño de la burbuja producida y de la profundidad de sumergencia.



La eficiencia de los de burbuja gruesa es del orden de un 6%, y la de los de burbuja fina de un 9%.

Los difusores se usan en tanques con profundidades de 2,5 a 5,0 m, ancho entre tres y nueve metros y una relación de ancho/profundidad menor de dos para asegurar una mezcla apropiada.

Se colocan a lo largo de una pared del tanque para producir mezcla en espiral en el reactor y pueden ponerse a la mitad de la profundidad para reducir consumo de energía.

El consumo de aire oscila entre 0,075 y 1,12 m de aire por m3 de agua; el flujo de aire por unidad oscila entre 0,11 y 0,45 m3/min.

Los difusores de chorro, los cuales se colocan en el fondo del tanque de aireación, sobre el piso, combinan el bombeo del líquido con difusión de aire. El sistema de bombeo hace circular el licor mezclado en el tanque de aireación, arrojándolo a través de un arreglo de toberas.

DIFUSORES

Aireadores de superficie 

método alternativo para la introducción de grandes cantidades de oxigeno, consisten en turbinas de alta o baja velocidad o en unidades flotantes de alta velocidad que giran en la superficie del liquido parcialmente sumergidas.



Estos aireadores se proyectan, tanto para mezclar el contenido del tanque, como para exponer el liquido a la acción de la atmosfera en forma de pequeñas gotas.

Los equipos de aireación mecánica superficiales se pueden clasificar en:



equipos de flujo radial de baja velocidad,



equipos de flujo axial de velocidad alta,



equipos aspirantes y rotores horizontales .

Aireadores superficiales de velocidad baja:

operan con velocidades de 20 a 100 RPM e incluyen una caja reductora de velocidad para disminuir la velocidad del impulsor.

La capacidad de transferencia de oxígeno es de 0,42 a 0,59 kg O/MJ, 1,5 a 2,1 kg O/kWh con motores de 1.800 RPM .

Aireadores de flujo axial y velocidad alta: 

se usan mucho en lagunas aireadas, donde no se requieren grandes profundidades de mezcla ni grandes capacidades de transferencia de oxígeno.



La capacidad de transferencia de oxígeno es de 0,2 a 0,38 kg/MJ, 0,7 a 1,4 kg 02 /kWh, con motores de hasta 93 kW, generalmente instalados sobre estructuras flotantes.

Aireador de velocidad alta 1.

2.

1.

Motor electrico

2.

flotador

AIREADOR DE SUPERFICIE DE ALTA VELOCIDAD

Los equipos aspirantes poseen un eje hueco largo de 1,2 m, con un motor eléctrico en un extremo y una hélice en el otro, la cual aspira aire de la atmósfera, hacia el eje. La velocidad del aire y de la hélice crea turbulencia y forma burbujas pequeñas, desde las cuales se disuelve el oxígeno.

Generalmente se instalan, con ángulos variables de inclinación, sobre flotadores, en tanques de aireación y en zanjones de oxidación.

EQUIPO ASPIRANTE

Sumergido: Difusión de aire:

1.

 

 

Poroso (burbujas finas) Poroso (burbujas de tamaño medio) No poroso (burbujas gruesas) Mezclador estático

2. Turbina sumergida 3. Tobera a chorro

Difusor de burbujas finas Descripción: burbujas generadas con tubos y placas cerámicas porosos, fabricados con productos cerámicos vitrificados y resinas Aplicación: Todos los tipos de procesos de fangos activados

DIFUSOR DE BURBUJA FINA

Difusor de burbujas de tamaño medio

Descripción: Burbujas generadas con membranas elásticas o tubos de plástico perforados.

Aplicación: Todos los tipos de procesos de fangos activados

Descripción: consiste una turbina de velocidad y sistema inyección de comprimido

en baja de aire

Aplicación: Todos los tipos de procesos de fangos activados

Mezclador estático Descripción: tubos cortos con deflectores interiores diseñados para retener el aire inyectado por la parte inferior del tubo en contacto con el agua.

Aplicación: Lagunas de aireación y procesos de fangos activados

Aireador de chorro Descripción: aire comprimido inyectado en el liquido mezcla al ser bombeado bajo presión a través de una tobera.

Aplicación: Todos los tipos de procesos de fangos activados

Superficial 

1. Turbina de baja velocidad



2. Aireador flotante de alta velocidad



3. Aireador de rotor horizontal



4. Cascada

Turbina de baja velocidad Descripción: turbina de gran diámetro utilizada para promover la exposición de las gotas de liquido a la atmosfera. Aplicación: Lagunas de aireación y procesos de fangos activados convencionales.

Turbina flotante de alta velocidad Descripción: hélice de pequeño diámetro que se usa para promover la exposición de las gotas de agua a la atmosfera. Aplicación: Lagunas aireadas.

Aireadores de rotor de eje horizontal Descripción: Las paletas montadas sobre un eje central giran en el seno del liquido. El oxigeno se introduce en el liquido por la acción de salpicadura creada por las paletas y por la exposición de las gotas del liquido a la atmosfera. Aplicación: Zanjas de oxidación, canales de aireación y lagunas aireadas.

DISEÑO DE AIREADORES

SA CN CR

• SE NOMINAN PARA CONDICIONES NORMALES • USO EN TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES

• 20°C • 760 mmHg • OD=0 • CORRECCION EN KLa, PRESION, OD(CL)

LA ECUACION: • TASA DE CAMBIO EN LA CONCENTRACION DEL GAS= (COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DEL GAS)(FUERZA IMPULSORA)

LA CAPACIDAD DE OXIGENACION:

N=TASA DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO EN CONDICIONES DE OPERACIÓN Kg/KWh o kg/h Kla=COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXIGENO, h-1 CL=CONCENTRACION DE OPERACIÓN DE OXIGENO DISUELTO mg/L CS=CONCENTRACION DE SATURACION

ADAPTACION DE LAS ECUACIONES PARA AGUA POTABLE CONDICIONES NORMALES

PARA AGUA RESIDUAL CONDICIONES REALES

RELACION DE LAS CAPACIDADES DE OXIGENACION

α= Relación de tasa de transferencia de oxigeno en agua residual a agua potable, a la misma temperatura

β= Relación de concentración de saturación de OD en el agua residual a la del agua potable o destilada, generalmente 0,8 a 1 Θ=coeficiente de temperatura

DISEÑO DE SISTEMAS DE AIREACION DIFUSA (ECKENFELDER)

REPRESENTA

ANCHO MAXIMO • EL DOBLE DE LA PROFUNDIDAD

SISTEMAS • LOS DE BURBUJA GRANDE TIENEN MENOR EFICIENCIA PERO TAMBIEN NECESITAN MENOS MANTENIMIENTO

DISEÑO DE SISTEMAS DE AIREACION DE TURBINA