Aireacion y Transferencia de Gases 1
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AIREACION Y TRANSFERENCIA DE GASES
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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.
Sistemas con
Aireación
En AR brutas, aumentar la eficacia en las
operaciones posteriores al tratamiento.
En los procesos de tratamientos biológicos
La flotación, elimina grasas, sólidos y
concentrar fangos.
proceso de desinfección con cloro
en forma gaseosa.
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.
Concepto de la película doble
película fina de gas + película de líquido en
la interfase
Desarrollado por Lewis y Whitman
originalmente para un fenómeno de transferencia en
“estado de equilibrio continuo”
flujo continuo e invariable de todos
los componentes del sistema
Gas cristalino que se dispersa
en una masa líquida a través de
la interfase líquido-gas.
[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.
FLUJO ESTACIONARIO FLUJO SEMIESTACIONARIO
No existen flujos dentro o fuera del sistema Una fase es estacionaria mientras la otra fluye
continuamente dentro y fuera del sistema.
Cambios en la [C] de O2 en el aire, su flujo, o cambio en las condiciones ambientales de P y T°.
EQUILIBRIO DISCONTINUO
[C] del gas en cualquier punto del sistema cambian con el t.
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.
2da Etapa
• Las moléculas de oxígeno atraviesan esta película por difusión molecular.
3era Etapa
• El oxígeno se dispersa en el líquido por difusión y convección.
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
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.
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.
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.
La predicción de las velocidades de transferencia de oxigeno en los aireadores se
suele basar en la ecuación:
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:
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.
Estos compuestos se encuentran en la interfase de modo que su contenido resulta más alto que en el líquido.
EFECTO DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL AGUA RESIDUAL
Presencia de agentes activos superficiales
Efecto marcado en la transferencia de O2 al modificar KLa
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
4, 9,35
7, 8,35
10, 6,85
13, 5,65
16, 4,65 19, 4,95
22, 2,85
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 5 10 15 20 25
Cs
-Ct
tiempo min
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
GAS COMPRIMIDO
AIRE DIFUNDIDO
PLACAS POROSAS, MEMBRANAS O
TUBOS
AIRE DISPERSADO
ELEMENTOS MOVILES
RODETES O TURBINAS DE DISPERSION
ELEMENTOS FIJOS
ORIFICIOS , ROCIADORES Y
DISPOSITIVOS DE CORTE
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.
SISTEMA:
• AIRE COMPRIMIDO
• DISPERSION POR TURBINA
EFICIENCIA:
• 12%
• 25%
VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA
• 0,82 Kg/CV hr*
• 1,13 Kg/CV hr
EFICIENCIA
* CONDICIONES DE CAPACIDAD NORMAL: 20°C, 760mmHg, ODi=0 SD=500mg/L
Sistemas de aspiración
CLASIFICACION
SISTEMAS DE ASPIRACION
HIDRAULICA
BOMBA CON EFECTO VENTURI
MECANICA
PALETAS HUECAS
GENERADOR DE VORTICES
ASPIRACION HIDRAULICA
Se bombea el liquido a presión
El liquido pasa por un tubo venturi
Una abertura permite la entrada y mezcla del liquido con el gas
0,45 – 2,7*
Kg/CV hr *A
COMP
SISTEMA DE ASPIRACION MECANICA
ASPIRADOR DE PALETAS
GENERADOR DE VORTICE
0,45 – 0,73
Kg/CV hr
EL TAPONAMIENTO DE ASPIRADORES
REPRESENTA PROBLEMA SERIO
SISTEMAS MECÁNICOS
CLASIFICACION
SISTEMAS MECANICOS
SUPERFICIALES
TIPO ESCOBILLA
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.
equipos de flujo radial de baja velocidad,
equipos de flujo axial de velocidad alta,
equipos aspirantes y rotores horizontales .
Los equipos de aireación mecánica superficiales
se pueden clasificar en:
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. Motor electrico
2. flotador
1.
2.
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:
1. Difusión de aire:
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 en
una turbina de baja
velocidad y sistema de
inyección de aire
comprimido
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
• SE NOMINAN PARA CONDICIONES NORMALES
• USO EN TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES
CN
• 20°C
• 760 mmHg
• OD=0
CR
• 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
