LABORATORIO DE PROCESOS AMBIENTALES

PRACTICA 7:

TRANSFERENCIA DE OXIGENO

GUIA DE LABORATORIO DIRIGIDA A ESTUDIANTES DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE REA ACADEMICA DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL

2015

Gua de Laboratorio Procesos Ambientales

2

PRACTICA 7: TRANSFERENCIA DE OXIGENO

1. OBJETIVOS

Calcular el coeficiente de transferencia de oxgeno (KLa)

Calcular el coeficiente

Calcular el coeficiente

Determinar la capacidad de oxigenacin de un aireador a escala de laboratorio

2. TEORIA DE LA AIREACIN

La aireacin es una operacin unitaria de fundamental importancia para un gran nmero de procesos aerobios de tratamiento de agua residual. Desde que un lquido este deficiente de un gas (oxgeno en este caso), existe una tendencia natural del gas de pasar de la fase gaseosa, donde se encuentra en cantidad suficiente, para la fase lquida, donde esta deficiente. Debido a la baja solubilidad del oxgeno en el agua, en diversos sistemas de tratamiento aerobio, la transferencia natural del oxgeno no es suficiente para garantizar los procesos biolgicos de reduccin de materia orgnica, por lo que se requiere acelerar la transferencia, de forma que el suministro del oxgeno se pueda dar a una tasa ms elevada y eficiente (von Sperling, 1996).

Existen principalmente tres formas de producir aireacin artificial:

Introducir aire u oxigeno en el lquido por medio de aireacin difusa o de aire comprimido (el aire se rompe en burbujas y se dispersa a travs del tanque)

Generar turbulencia superficial para que el lquido en forma de gotas entre en contacto con el aire (sistemas de aireacin superficial y mecnica)

Introducir aire a travs de sistemas de turbina, en los cuales se dosifica aire debajo de las paletas de rotacin de un impulsor sumergido

El punto de partida de la teora de la aireacin es la Ley de Henry. Esta Ley afirma que cuando exista contacto entre una fase lquida y una fase gaseosa, ocurrir entre ellas un continuo intercambio de molculas. Tan pronto la concentracin de solubilidad en la fase lquida sea alcanzada, los flujos pasan a ser de igual magnitud, de tal forma que no ocurre un cambio global de las concentraciones del gas en las dos fases. Esta concentracin de equilibrio en la fase lquida se conoce como Concentracin de Saturacin - CS y se expresa como se presenta en la Ec.(1) (van Haandel y Marais, 1999):

Cs = KH.Pp Ecuacin (1)

Donde: Cs: concentracin de saturacin del oxgeno de equilibrio

Gua de Laboratorio Procesos Ambientales

3

KH: constante de Henry PP: presin parcial de oxgeno en el aire La solubilidad del oxgeno atmosfrico en el agua vara de acuerdo con la presin y la temperatura, para una atmsfera de presin y 0C ser de 14.6 mg.L-1 y alrededor de 7 mg.L-1 a 35C. Este aspecto merece especial consideracin pues a mayores temperaturas, las velocidades de oxidacin biolgica aumentan, la demanda de oxgeno aumenta y la solubilidad del oxgeno disminuye.

2.1 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE GASES

La transferencia de gases es el proceso por el cual el gas es transferido de una fase a otra. Existen varias teoras que explican los mecanismos de transferencia de oxgeno, siendo la ms ampliamente aceptada la teora de las dos capas (Orozco, 2005):

La Teora de las dos capas de Lewis y Whitman supone que para garantizar la transferencia del oxigeno desde la fase gaseosa hacia el agua, es necesario que se venza la resistencia del paso del gas al lquido.

La Tasa de Transferencia de Oxgeno puede ser representada en la forma de una reaccin de primer orden-Ley de Fick (van Haandel y Marais, 1999) (Ec. 2):

CCaKdt

dCSL

Ecuacin (2)

Donde : dC/dt = tasa de transferencia de oxgeno, g.m-3.h-1 KLa = constante global de transferencia de gas, h-1

C = concentracin de oxgeno en el reactor, g.m-3 Esta ecuacin indica que a menor concentracin de oxigeno (C), o mayor dficit de oxigeno (Cs - C), mayor ser la tasa de transferencia.

2.2 FACTORES QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE OXGENO

La tasa de transferencia depende, tanto de las propiedades del sistema de aireacin (resumidas en KLa) como de la solubilidad de cada especie, expresada como la concentracin de saturacin. Por otro lado, el valor de KLa depende del sistema de aireacin, de la geometra del reactor, de la temperatura y de las impurezas presentes en la fase lquida.

La capacidad de aireacin o tasa de transferencia de oxigeno de un equipo es reportada por el fabricante en condiciones estndar de temperatura y presin, es decir los equipos son calibrados a 20oC, a nivel del mar, con agua limpia y una concentracin de oxigeno inicial de cero. Naturalmente lo que interesa no es saber la tasa de transferencia bajo las condiciones estndar, pero si en las condiciones de operacin. Para calcular esta tasa es preciso que se corrija el valor de KLa por la influencia de los factores que no estn de acuerdo con las condiciones estndar (van Haandel y Marais, 1999).

Gua de Laboratorio Procesos Ambientales

4

Efecto de la temperatura. La temperatura influye en la transferencia de oxgeno, por que afecta tanto el valor de KLa como el de la concentracin de saturacin Cs. El valor de Cs en el rango de 0 a 50oC puede ser escrito por la Ec. (3) (von Sperling, 1997):

TC

C

os

Ts

6,31

6,51

20,

,

Ecuacin (3)

Donde: Cs,T = concentracin de saturacin a una temperatura T Cs,20 = concentracin de saturacin a 20oC = 9,17 mg.L-1 T = temperatura

De acuerdo con lo anterior se obtiene la Ec. (4):

KLa,T = KLa20 .(T-20) Ecuacin (4)

Donde: = 1.020 a 1028 para sistemas de burbuja = 1.012 para sistemas de aireacin mecnica KLa,T = coeficiente de transferencia a TC

KLa,20 = coeficiente de transferencia del gas a 20C

Efecto de las impurezas. La presencia de impurezas en el agua residual dificulta la transferencia de oxgeno y disminuye el valor de KLa. Por esta razn se introduce un factor que puede variar de 0,6 a 1,2 para aireacin mecnica y de 0,4 a 0,8 para aireacin difusa (von Sperling, 1997) (Ec. 5):

)lim(

)(

piaaguaaK

residualaguaaK

L

L Ecuacin (5)

Las impurezas afectan adicionalmente a Cs, as se introduce otro factor que generalmente esta en el rango de 0,7 a 1,0 (Ec. 6):

)lim(

)(

piaaguaC

residualaguaC

S

S Ecuacin (6)

Efecto de la presin atmosfrica. Para presiones diferentes de la atmosfrica, Cs en el agua esta dada por la Ec. (7) (von Sperling, 1997):

)(

)(*

ap

ap

spP

pPspCC S

Ecuacin (7)

Donde: Cs = concentracin de saturacin a una presin P Csp = concentracin de saturacin a una presin estndar de 1 atm P = presin atmosfrica local pa = presin de vapor de agua

Gua de Laboratorio Procesos Ambientales

5

Pp = presin estandarizada = 1,013 bar o 760 mmHg

2.4 EFICIENCIA DE OXIGENACIN

Una vez establecida KLa, es posible estimar la eficiencia de un aireador. La eficiencia expresa la tasa de transferencia o capacidad de oxigenacin (kgO2.m-3. h-1) por unidad de potencia consumida P (kw) por unidad de volumen de reactor (m3) (van Haandel y Marais, 1999) (Ec. 8):

)(

)(*/kw.h)(kgOE 2aireador

r

sL

V

P

CCaK

Ecuacin (8)

En el caso de aireacin difusa, la potencia requerida para los sopladores puede ser expresada por la Ec. (9):

)(***P

HdgQ iaire

Ecuacin (9)

Donde: Qaire = caudal de aire, m3.s-1 P = potencia, w = peso especifico del lquido, 1000kg.m-3 g = 9,81 m.s-2 di = profundidad de inmersin de los difusores, m H = prdida de carga en el sistema de distribucin de aire, m = eficiencia del motor y del soplador

La capacidad de oxigenacin del aireador es dada por la Ec. (10):

COair = KLa . Cs . Vr (kgO2.h-1) Ecuacin (10)

Donde: Vr: volumen del reactor

Para elevar la tasa de transferencia de un sistema se deben considerar las tres posibilidades clsicas: cambiar el sistema de aireacin por uno de mayor kLa; aumentar la solubilidad operando el sistema a alta presin; y/o aumentar el rea de transferencia. Para asegurar una correcta aplicacin de cualquiera (o cualquier mezcla) de las alternativas ser necesario conocer a priori la tasa de transferencia que, en un punto de operacin dado, consiga que el sistema de aireacin trabaje a su mxima eficiencia.

Gua de Laboratorio Procesos Ambientales

6

En esta prctica se utilizar un sistema de aireacin al cual se le determinarn sus propiedades de transferencia gas/lquido en distintos puntos de operacin.

3. EQUIPOS Y REACTIVOS

EQUIPOS REACTIVOS

Medidor de oxgeno

Sistema de aireacin

Cronometro

Agitador magntico

Solucin de sulfito de sodio

Solucin de cloruro de cobalto

4. METODOLOGA

4.1 Procedimiento

1. Calibrar el medidor de oxgeno

2. Colocar agua en el reactor a escala de laboratorio y aplicar aireacin hasta alcanzar la concentracin de saturacin. Consignar este valor y el de la temperatura del agua.

3. Calcular la concentracin de saturacin terica de oxgeno disuelto - CST (Tabla 1)

Tabla 1. Concentracin de saturacin de oxgeno (mg.L-1)

Temperatura del Lquido

(oC)

Altitud (m)

0 500 1000 1500

10 15 20 21 22 23 24 25 28 30

11,3 10,2 9,2 9,0 8,8 8,7 8,5 8,4 7,9 7,6

10,7 9,7 8,7 8,5 8,3 8,2 8,1 8,0 7,5 7,2

10,1 9,1 8,2 8,0 7,9 7,8 7,6 7,5 7,1 6,8

9,5 8,6 7,7 7,6 7,4 7,3 7,2 7,1 6,6 6,4

4. Desoxigenar el agua con 8 mg.L-1 de sulfito de sodio. Use 5 mg.L-1 de cloruro de

cobalto como catalizador. Agite hasta obtener una concentracin de oxgeno igual o cercana a cero.

5. Airear el agua hasta que la concentracin de oxigeno disuelto sea constante o alcance un 90% de Cs.

Gua de Laboratorio Procesos Ambientales

7

6. Registrar los datos de temperatura y valores de oxgeno disuelto a diferentes intervalos de tiempo en la Tabla 2.

7. Repita el procedimiento con un volumen definido de agua residual.

4.2 Clculos y Grficas

1. Graficar los datos obtenidos en el ensayo, tal como lo muestra la Figura 1 y encontrar la ecuacin de la recta. Determine el KLa para las dos muestras analizadas. Calcule el KLa a 20C para agua de grifo y agua residual. El clculo del KLa se obtiene a partir de la integracin de la Ec. (11):

taKCC

CCLn L

OS

S .)(

Ecuacin (11)

Donde: Co = concentracin de oxigeno disuelto en el inicio de la aireacin

t = tiempo de aireacin La ecuacin muestra que la relacin entre el logaritmo de la diferencia entre Cs y la

concentracin actual de oxigeno es lineal con el tiempo, cuya pendiente es KLa (ver

Figura 1).

Figura 1 Representacin grfica de la ecuacin

2. Analice el efecto de la temperatura en la transferencia de oxgeno.

3. Analice el efecto de la altura sobre el nivel del mar en la concentracin de oxgeno disuelto.

4. Determine el valor del coeficiente

5. Determine el valor del coeficiente

6. Cul es la utilidad de los coeficientes y ?

7. Determinar la capacidad de oxigenacin del equipo de aireacin del laboratorio.

Ln (Cs C/ Cs Co)

t

KLa

Gua de Laboratorio Procesos Ambientales

8

5. BIBLIOGRAFIA

Orozco, A. (2005). Bioingeniera de agua residual. Teora y diseo.. Asociacin Colombiana de Ingeniera-ACODAL.

van Haandel, A. y Marais, G. (1999). O comportamento do sistema de lodo ativado: teoria e aplicaes para projetos e operao. Campina Grande - Brasil, Epgraf.

von Sperling, M. (1997). Lodos ativados. Belo Horizonte - Brasil, Departamento de engenharia sanitria e ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais.