lunes, 2 de mayo de 2011

AIREACION


Nombre: Pamela Milagros Villanueva Campana
Profesor: Ing. Andrés Tinoco Rondán

CURSO: PROCESOS DE MANUFACTURA II

Introducción:

La aireación y la transferencia de gases sirven para varios propósitos en los procesos de purificación de agua y tratamiento de aguas residuales.

El primer propósito de la aireación del agua es el incrementar el contenido de oxígeno, la remoción del dióxido de carbono para estabilizar o suprimir la agresividad del agua y lograr el equilibrio carbónico, desorción de sabores, olores producidos por gases o sustancias volátiles con la finalidad de lograr los estándares de calidad.

El segundo propósito es la oxidación del hierro y manganeso en el agua, es recomendable para aguas con concentraciones de Fe+2 no mayores de 5 mg/l; la tasa de oxidación del Fe+2 por el oxígeno depende de la temperatura, la alcalinidad y el contenido de oxígeno disuelto.

Otras alternativas son la aplicación de cal, dolomita, hidróxido de sodio para la remoción del dióxido de carbono y la adsorción de sabores y olores en lugar de realizarlos por aireación.

Con todos los métodos el pH del agua aumenta; en el caso de los métodos químicos se da un incremento de la alcalinidad y del contenido de sodio o de la dureza.

Aspectos Teóricos de la Aireación y Transferencia de Gases

De todos los procesos de transferencia de gases, el más importante de todos, es el que se lleva a cabo en la digestión aeróbica de la materia orgánica de las aguas residuales.

Los organismos aeróbicos dependen del oxigeno para mantener los procesos metabólicos que producen la energía necesaria para su crecimiento y reproducción.
El oxigeno al igual que todos los gases en la atmósfera, son solubles en el agua en mayor o menor grado. Los dos principales gases componentes del aire: oxigeno y nitrógeno tienen muy baja solubilidad ya que no reaccionan químicamente con el agua y su solubilidad está de acuerdo a la ley de Henry, que establece que la solubilidad de un gas es directamente proporcional a la presión parcial ejercida por este.

La solubilidad del oxigeno también es función de la temperatura: a mayor temperatura menor solubilidad.

Otro factor determinante en la solubilidad de gases es la composición del agua; por ejemplo, a la misma temperatura la solubilidad del oxigeno en agua salada o agua de mar es menor que la solubilidad de este gas en agua pura.

La solubilidad máxima del oxigeno atmosférico varia desde 14.6 mg/lto a 0°C hasta 7 mg/lto a 35°C a 760 mm de Hg de presión atmosférica. Esta baja solubilidad del oxigeno en agua, es la principal limitante para la autodepuración de las aguas residuales y la razón de la necesidad de la inyección de oxigeno atmosférico para de esta manera compensar por el oxigeno consumido en los procesos de digestión aeróbica.

El oxigeno puede ser suministrado en forma de oxigeno puro o como aire. En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la transferencia de oxigeno se hace generalmente a través de dispositivos sumergidos, que forman pequeñas burbujas en el seno del liquido. Cuanto menor sea el tamaño de las burbujas mayor será la superficie de contacto y la difusión del oxigeno en el agua de tratamiento es mas eficiente.

Para incrementar aún mas el coeficiente de difusión, y mejorar el aprovechamiento del oxigeno suministrado, se provocan situaciones de turbulencia en el seno del liquido, con lo que el oxigeno se difunde mas efectivamente. Esta agitación o turbulencia se provoca con la misma masa de aire inyectada y/o con un medio de agitación mecánico.

Existen muchos y muy variados sistemas de difusión de aire, cada uno de ellos con sus ventajas y desventajas.

Otra alternativa para introducir grandes cantidades de oxigeno en el liquido, es por medio de aireadores superficiales, los cuales por efecto de la agitación en la superficie del reactor, rompen la masa de liquido exponiendo el agua al aire atmosférico y provocan que las pequeñas gotas formadas absorban el oxigeno del aire con el que tienen contacto.

Los aireadores mecánicos consisten de turbinas de alta o baja velocidad que se encuentran inmediatamente arriba de la superficie del líquido o flotan en éste. La agitación mecánica producida por las turbinas, además de favorecer la transferencia de oxigeno, es un excelente medio de agitación, lo cual como ya se ha indicado favorece el rendimiento en el aprovechamiento del oxigeno suministrado.

AIREADORES SUPERFICIALES Y AIREADORES SUMERGIDOS O DE INYECCION DE AIRE

Aireación de aguas por medios de inyección y medios superficiales.

1. Solubilidad de los Gases

La solubilidad de los gases en el agua dependen de:

- La naturaleza de los gases, el que está expresado por el coeficiente de distribución KD.
- La concentración del gas en la fase gaseosa (g/m3) el mismo que está relacionado con la presión parcial P del gas en la fase gaseosa.
- La temperatura del agua T.
- Las impurezas que contiene el agua

Influencia de la concentración del gas

Si el agua se expone a un gas o a una mezcla de gases existe un intercambio continuo de las moléculas del gas de la fase líquida en la fase gaseosa y viceversa. Tan pronto como la concentración de solubilidad en la fase líquida es alcanzada, ambas corrientes del gas serán de igual magnitud tal que no ocurrirá cambios de las concentraciones del gas en ambas fases.

Este equilibrio dinámico se refiere generalmente como la solubilidad o la concentración de la saturación del gas en el líquido. Cuanto más alta es la concentración del gas en la fase gaseosa es mayor la concentración de saturación en la fase líquida.

Por lo que la relación entre el cs de la concentración de la saturación (g/m3) y la concentración del gas en la fase de gas cg (g/m3) es dada por:
kD = coeficiente de distribución

Influencia de la temperatura.

Cuando los gases son disueltos en el agua, este proceso es generalmente acompañado por la liberación de calor. De acuerdo al principio de Le Chatelier, incrementos en la temperatura resulta en reducción de la solubilidad. La ecuación que se puede aplicar para generalizar la dependencia de la temperatura es:


Donde: R = constante universal de los gases
T = Temperatura absoluta (ºK)
ΔH = Cambio del contenido de energía acompañando la absorción de 1 mol de gas (J/mol) (entalpia).

El valor de ΔH varía con la temperatura y la concentración.

Influencia de las impurezas en el agua.

El coeficiente de distribución es valido solo para el agua pura. Debido a que el agua contiene otros constituyentes, estos influyen en la solubilidad de los gases y pueden ser expresados por el coeficiente de actividad (γ).
Para agua pura γ = 1, cuando γ se incrementa las concentraciones de substancias disueltas en el agua son altas lo que disminuye la solubilidad, esta influencia de concentraciones de impurezas sobre el coeficiente de actividad esta representada por formulas empíricas.

2. Difusión

Este fenómeno es descrito como la tendencia de alguna sustancia que se esparce uniformemente en el espacio disponible. La difusión del gas en la fase gaseosa es mucho más rápida que en la fase líquida (cerca de 104 veces).

La primera ley de Fick describe la tasa de movimiento de gas dentro de un líquido. Esta relación describe la tasa de transferencia de masa como directamente proporcional al gradiente de la concentración. Esto se expresa de la manera siguiente:


Donde:
dm/dt = tasa de transferencia de masa en gramos por segundo (g/s)
Dm = constante de difusión molecular (o coeficiente) del gas (cm2/s)
A = área a través de la cual ocurre la transferencia (cm2)
dC/dt = gradiente de concentración del gas.

De acuerdo a esta teoría se llega a las siguientes conclusiones:
- Cuanto mayor sea el área de superficie de la burbuja, mayor es el valor del coeficiente global de transferencia de masa.
- Para un volumen determinado de gas, mientras menor sea el tamaño de las burbujas, mayor es el área superficial.
- La turbulencia rompe mas fácilmente la película de la interface que se forma entre el liquido y el gas, por lo tanto, a mayor turbulencia, mayor eficiencia en la transferencia de el gas.





Aireación superficial de aguas residuales con aireadores tipo cepillo y aireadores tipo turbina.

En el metabolismo aerobio, los microorganismos requieren además del oxígeno, de una fuente de carbono orgánico, agua, fósforo, nitrógeno y otros nutrientes. El medio también debe tener una temperatura y un pH adecuado en el cual las bacterias puedan crecer y proliferar, y de esta manera el proceso de digestión sea rápido y altamente efectivo.

En un medio adecuado, donde los nutrientes y el material orgánico están disponibles en abundancia, es necesario estar suministrando continuamente oxígeno. La solubilidad máxima del oxígeno en el agua es sumamente baja: 8.5 mg/lto a 25ªC. Este es consumido en el metabolismo microbiano, y si se limita su presencia en el medio, las bacterias aerobias se inhiben y aparecen las facultativas y posteriormente las anaerobias, si persiste la falta de oxígeno.

En condiciones anaerobias la aparición de productos indeseables se hace presente, por lo que es necesario suministrar el oxígeno en las cantidades que se requieran Para tener un medio aerobio adecuado, la concentración de oxígeno en el agua debe estar entre 1 y 2 ppm, y se deben evitar puntos muertos en el reactor biológico, donde se puedan generar condiciones anaerobias.

La falta de oxígeno en el proceso biológico, es uno de los factores cruciales en el tratamiento biológico. La falta de oxígeno no únicamente causa molestias por la aparición de productos de anaerobiosis, también, si el oxígeno es escaso, mueren cierto tipo de bacterias que son muy adecuadas para el tratamiento, y se favorece la aparición de otras que son mas resistentes a la falta de oxígeno, como son las bacterias filamentosas.

Este tipo de microorganismos causan grandes problemas en la posterior operación de sedimentación, por lo que siempre se deben evitar.





Teoría del Mecanismo de Transferencia de Gases

Existen varias teorías que explican el mecanismo de transferencia de gases, como la teoría de doble capa, la teoría de penetración, la teoría de renovación superficial, la teoría renovación-superficie-película.

La teoría más usada para entender el mecanismo de la transferencia de gases es la de doble capa que fue propuesta por Lewis y Whitman en (1942).


1. Teoría de la Doble Capa

Es un modelo físico que indica que cuando un gas entra en contacto con el líquido se observa la existencia de una interface gas-liquido formando dos capas una gaseosa y otra líquida.

Estas dos fases presentan una resistencia al paso de las moléculas de gas de una fase a la otra. En el caso de gases poco solubles, la capa que ofrece una mayor resistencia al paso de las moléculas de la fase gaseosa a la fase líquida se la conoce como la capa líquida y la capa gaseosa se da con los gases mucho más solubles en agua y es la capa que presenta una mayor resistencia.

En la figura se muestra una distribución de estas capas. Para cada gas, existe un determinado gradiente de presión parcial a lo largo de la película delgada de gas, representado por P – Pi, donde Pi es la presión parcial del gas en la interface, y P es la presión parcial en el resto de la masa de gas. A lo largo de la película delgada, existe un gradiente de concentración de O2 representado por Ci – C, donde Ci es la concentración de O2 en la interface y C la concentración de O2 en el resto del líquido (Ci > C).




Transferencia de gases, interface aire-agua.

En esta teoría se hacen algunas suposiciones:

- Condiciones de estado estacionarias.
- Existe flujo laminar en las películas de gas y agua
- En la interface se establece el equilibrio instantáneo

El gas se moviliza por difusión molecular a través de la película líquida y se distribuye por difusión turbulenta a través del líquido. Por tanto la velocidad de transferencia del gas depende de la resistencia de cualquier película de gas o agua a la difusión. La velocidad de difusión a través de la película de gas es proporcional a la concentración de soluto en la masa de aire y en la película delgada de gas.

La difusión en la película de agua es controlada por la diferencia en concentraciones entre Ci y C. En la película de gas, existen menos moléculas de gas en comparación con la densidad elevada de moléculas en la película de agua. Por lo tanto la  resistencia a la difusión en la película del líquido es mayor que la de la película del gas.

Este modelo de dos películas lo describieron Lewis y Whitman (1924), indica la tasa de transferencia de oxigeno, es decir la cantidad de soluto (O2 en el aire) absorbido por unidad de tiempo por la difusión a través de las dos películas, expresada por la ecuación de la manera siguiente:



Donde:
W = peso del soluto, mg =CV
A = área de la interface, m2
Kg = coeficiente de difusión en el gas (o coeficiente de transferencia de masas)
kl = coeficiente de difusión en el agua
P, Pi = presión parcial del soluto en la masa de gas y en la interface, atm.
Ci, C = concentración de soluto en la masa de agua y en la Interface, mg/l

De  esta obtenemos otras ecuaciones tomando en cuenta la solubilidad de los gases:

- Para gases de elevada solubilidad en el agua:



Por que la concentración en la fase gaseosa de la interface es muy pequeña debido a que el gradiente a lo largo de la película de gas es muy elevado. Una vez que el gas alcanza la interface es absorbido rápidamente a través de la película de líquido. El proceso de transferencia de gas se ve limitado por la propia película del gas.

- Para gases de escasa solubilidad en el agua:



Debido a que el gradiente de presión parcial a través de la película es muy pequeño tenemos que Pg ≈ Pi y el valor de Ci es el mismo que el de un liquido saturado con oxigeno a presión Pg y puede ser expresado como Cg y kl = Kl .
Integrando la ecuación obtenemos la ecuación que se usa para la adición de gases:



Donde:
Cg = concentración de saturación, mg/l
C0 = concentración inicial, mg/l
Ct = Concentración después de un tiempo, mg/l
A = área de interface, m2
V = volumen del líquido, m3
Kl = coeficiente de transferencia de materia en la película líquida, d-1
En caso de que se quiera eliminar gas de una solución sobresaturada, se usa la siguiente ecuación:


En el siguiente cuadro se muestran las diferencias entre las teorías.





La tabla muestra la relación de kL (coeficiente de transferencia de gas para la fase liquida) y los parámetros que determinan los coeficientes de transferencia de gas de cada una de las teorías. La primera diferencia de la teoría de doble capa es que se estima que kL es proporcional a D (coeficiente de distribución molecular), mientras que las dos siguientes teorías son proporcionales a        , la última teoría muestra que es proporcional a Dn, donde n varia de 1 a 0,5.

2. Factores que Afectan a los Coeficientes de Transferencia de Gases

Los factores principales que afectan el coeficiente de la transferencia del gas son la temperatura, la concentración y la naturaleza de sustancias hidrofóbicas.

Mientras que la temperatura influye en todas las operaciones de la transferencia del gas, la presencia de la materia hidrofóbica es de importancia en la oxigenación de las aguas residuales y las mezclas del aguas residuales-lodo (proceso del lodo activado), donde es de esperar concentraciones significativas de la materia hidrofóbica, especialmente agentes tensoactivos.

La dependencia de la temperatura del coeficiente de la transferencia del gas se puede considerar que KL, es función de D y de tc (tiempo de exposición), el coeficiente de la difusión es función de la temperatura. La difusión aumenta con el aumento de temperatura y la viscosidad disminuye con el aumento de temperatura.

Capacidad de Oxigenación.

La capacidad de la oxigenación de un sistema de aireación se define comúnmente como el índice de la transferencia del oxígeno al sistema. La capacidad de oxigenación oc esta definido de acuerdo a la ecuación:




Donde:
c’S = Concentración de saturación del oxigeno en agua pura a T = 10 ºC y
P = 101.3 Kpa es de 11.3 g/m3

El modelo de dos películas para la transferencia de oxígeno describe la tasa de transferencia de la manera siguiente:


En esta ecuación, dm/dt/A es la tasa de transferencia por unidad de área, Cs es la concentración de saturación de gas, Lf es el grosor de la película líquida, y C es la concentración de gas. El modelo está basado en una película laminar estable en la interface, requiriendo condiciones de flujo tranquilo. Estas condiciones rara vez se encuentran en el campo; aún así ha sido ampliamente utilizada para describir efectivamente la transferencia de oxígeno y el diseño de aireación para muchas aplicaciones.

Cambios de la Fase Gaseosa en Operaciones de Transferencias de Gases.

Anteriormente se ha supuesto, que la fuerza flotante (cs - c) durante las operaciones de transferencia de gases sólo es influenciado por el cambio en la concentración de gas en la fase líquida c.

La concentración del aire disminuye durante el proceso de absorción y valores de saturación cs = kD * cg está disminuyendo correspondientemente. De ahí la fuerza flotante (cs - c) disminuye firmemente por un incremento de c y por una disminución de cg .

En operaciones de separado, c está disminuyendo y cg aumenta durante la desorción, dando lugar a una disminución de la magnitud absoluta de la fuerza flotante. La magnitud del cambio de cg y de cs depende de la cantidad de aire proporcionado por la transferencia de gas.

Para describir estos efectos cuantitativamente es realizado un balance de entrada-salida.

Considere un aireador alimentándose con un Qg (m3/s) de aire con cgo (el g/m3) del gas en cuestión y Q (el m3/s) de agua que contiene el co (el g/m3) del mismo gas.

Asumiendo un cambio no significativo de Qg durante el funcionamiento (qué podría causarse por desorción o absorción de gases), el balance es escrito con el cge y ce como las concentraciones del efluente como:



Después de definir la proporción de aire-flujo de agua como RQ = Qg/Q, la ecuación anterior se escribe de la siguiente forma:


De ahí la proporción negativa del cambio de la concentración en la fase líquida             sobre la fase gaseosa               es igual a la proporción aire-flujo de líquido RQ.
            y             influyen en la fuerza flotante durante las operaciones de transferencia y así estimar la proporción de la transferencia de gas. Estas interrelaciones dependen del tipo de aireador: intermitente (cascadas, torres de platos); o condiciones de mezcla completa (la aeración de burbujeo) y de la dirección del aire en el flujo de agua (flujo co-corriente, contra-corriente, flujo cruzado).

Factores que Afectan a la Transferencia de Oxígeno.

Los factores que afectan la tasa de solución de oxígeno en el agua son: el grado de agitación, efectos de temperatura y la concentración de contaminantes solubles e insolubles presentes en el agua. Existen varios parámetros de calidad del agua que afectan las concentraciones de saturación de los gases disueltos.

La concentración de oxigeno disuelto en las aguas superficiales es limitada, en el mejor de los casos, el agua puede estar en equilibrio con la atmósfera y estar saturada de oxigeno.

Dado que la concentración de saturación del oxigeno es pequeña (10 mg/l), no se requiere de una gran concentración de substancias orgánicas para consumirlo completamente. El oxigeno se disuelve en el agua por difusión del aire del entorno.

Prueba Estándar de Aireación

Una vez que el nivel de OD ha sido estabilizado cerca de cero, se pone a funcionar el aparato de aireación y se mide la tasa de aumento en el OD. La corrida experimental se termina cuando los niveles de OD alcanzan por lo menos 95% de saturación. La información deberá ser registrada en la configuración de la prueba física, condiciones meteorológicas, consumo de energía y calidad del agua, al igual que los datos de OD.

Los resultados de una prueba típica de aireación se muestran a continuación:





Tasa Estándar de Transferencia de Oxígeno

Los datos recolectados a través de experimentos de transferencia de oxígeno pueden ser analizados a través del modelo de transferencia de masa, para calcular el coeficiente de transferencia de masa Kla y la concentración de saturación cs. La capacidad de transferencia de oxígeno de los varios sistemas de aireación puede ser comparada usando la tasa de transferencia de oxígeno que se predijo usando este modelo. Las comparaciones se hacen para las condiciones estándar (OD = 0, temperatura 200 ºC y 1,0 atmósfera de presión).

La tasa estándar de transferencia de oxígeno (SOTR*) puede calcularse corrigiendo primero Kla y cs a condiciones estándar, utilizando los valores determinados en el modelo de transferencia de gases. El valor de SOTR se calcula usando la siguiente ecuación.

Tasa de transferencia de oxígeno

La tasa de transferencia de oxígeno (OTR*) para condiciones de campo no será la misma que la que se predijo para condiciones estándar (SOTR). La tasa de transferencia de oxígeno para condiciones de campo puede calcularse utilizando la ecuación:



En esta ecuación, OTR es la tasa de transferencia de oxígeno de campo (Kg. 02/h), a es el factor de corrección para KLa en el agua de proceso, β es el factor de corrección para la saturación de OD en el agua de proceso, y q es el factor de corrección para la temperatura.

4. EXPULSIÓN DEL DIÓXIDO DE CARBONO POR OXIGENACION.

Normalmente en el tratamiento de aguas se usa la aireación con la intención de disolver el gas en el agua (absorción) o de expulsar un gas disuelto en el agua (separación).
Cuando el agua es equilibrada con aire entonces la concentración de equilibrio (CO2)e a 20 ºC es igual a KH * P = 0,0132 mmol/l, la velocidad de expulsión del dióxido de carbono es dada por:



En esta formula (CO2) representa la concentración actual del dióxido de carbono en el agua; Kl es el coeficiente de transferencia en el agua.

De manera que para lograr una eliminación rápida y drástica de dióxido de carbono se necesita:

- Una fuerza flotante lo mas grande posible [(CO2) – (CO2)e ] nos da mayor remoción, reemplaza el aire, en el equilibrio la expulsión es mas lenta.
- Para mantener el (CO2)e bajo hay que evitar el aporte del CO2 del aire, trabajar con una gran cantidad de aire o aplicar una aireación en contracorriente.
- Contar con elevada turbulencia para un Kl alto.
- Contar con burbujas pequeñas para tener un valor alto de a.
- Tiempos largos de aireación.

La transferencia se la realiza dispersando el gas en pequeñas burbujas o vaporizando el agua (gotas finas).

La vaporización del agua en el aire se realiza encima de un recipiente de captación.
Depende de una renovación del aire en la cámara de vaporización, es en éste momento que el Fe+2 y Mn+2 se oxidan y se depositan en el piso. Pero no se puede bajar el contenido de CO2 de 15 mg/l. Este método es usado para aguas con dureza de carbonato > a 2 mmol/l.

Formula para aireadores centrífugos:

La potencia requerida de los aireadores superficiales puede determinarse con la siguiente ecuación.



Pw=Potencia de los aireadores en kW
p2=presión a la salida de los difusores
p1=presión a la toma de los sopladores
w=masa de aire a suministrar Kg/seg
R=Cte. general del estado gaseoso=8.314 kJ/kmolºK
T=Temperatura del aire en ºK
e=eficiencia del soplador o aireador.




Conclusiones:

La aireación es un proceso de tratamiento en el que el agua entra en contacto con el aire con el propósito primordial de incrementar su contenido de oxígeno.

Al tener un mayor contenido de oxígeno:
- Se eliminan las sustancias volátiles, como el sulfuro de hidrógeno y el metano, que afectan el sabor y el olor.
- Se reduce el contenido de dióxido de carbono del agua.
- Se oxidan los minerales disueltos, como el hierro y el manganeso, para que formen precipitados, que se pueden retirar por decantación y filtración.




Bandejas de aireación

El estrecho contacto que se requiere entre el agua y el aire para la aireación se puede lograr de varias formas. A nivel casero, agite rápidamente el recipiente parcialmente lleno de agua por 5 minutos, más o menos, y, luego, deje reposar el agua por otros 30 minutos para que las partículas suspendidas se decanten en el fondo del recipiente.

A mayor escala, la aireación se puede lograr dejando que el agua escurra a través de una o más bandejas perforadas y bien ventiladas que contienen pequeñas piedras, como se muestra en la figura. Nuevamente, se debe recoger el agua en un recipiente y dejarla que repose por 30 minutos, más o menos, para que las partículas suspendidas queden en el fondo.

Bibliografía:

- Ingeniería Ambiental - Gerard Kiely, McGraw Hill, España, 1999.
- Tratamiento de emergencia de agua potable en el lugar de consumo - OMS