caracterización de un contactor de gas-liquido mediante el

CARACTERIZACIÓN DE UN CONTACTOR DE GAS-LIQUIDO MEDIANTE EL
COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE TRANSFERENCIA DE MASA
A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIÓN
Ramírez Cortina C. R. 1 , Alonso Gutierrez M.S.2 , Bruno Esparza R. 1
y Rodríguez Lepure A. L. 1
1Universidad Autónoma Metropolitana Azc. San Pablo No. 180, Col. Reynosa
Tamaulipas, Delegación Azcapotzalco 02200, México, D. F., México.
Tel.5318 9044, Fax. 5394 7378 Email: [email protected]
2Institut National Polytechnique, ENSCT, Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle,
118 Route de Narbonne, 31077 Toulouse, France.
RESUMEN
En este estudio se analiza la transferencia de oxígeno en agua para un reactor de columna a
escala de laboratorio, equipado con un burbujeador y un vénturi como sistemas de
alimentación de aire. Para tal efecto se determinó el coeficiente volumétrico de
transferencia de masa KLa para el oxígeno. Las variables estudiadas fueron: el caudal de
aire, la influencia de la recirculación, la aplicación del aire mediante el burbujeador, la
aplicación del aire a través del vénturi, y la combinación de ambos sistemas. Los resultados
muestran que la transferencia de oxígeno para un mismo caudal de aire es mejor mediante
el vénturi que con el burbujeador. El efecto de la recirculación aumenta la transferencia del
oxígeno y en este caso, el burbujeador con recirculación es más eficiente que el vénturi.
Los mejores resultados se obtuvieron con la combinación de de las tres condiciones de
aireación.
INTRODUCCIÓN
La transferencia de gases es un proceso importante en el tratamiento de agua, en el caso de
las aguas residuales que pueden ser tratadas mediante lodos activados, filtros biológicos y
digestión aerobia, la eficiencia depende de la disponibilidad de cantidades suficientes de
oxígeno.
La teoría más utilizada para explicar el mecanismo de transferencia de masa en el
intercambio gas-líquido es la teoría de la doble capa, el modelo se basa en la existencia de
dos capas, una de líquido y otra de gas en la interfase gas-líquido. Ambas capas dan una
resistencia al paso de moléculas de gas entre las fases líquida y gaseosa. En la transferencia
de moléculas de gas de la fase gaseosa a la líquida, los gases ligeramente solubles
encuentran la resistencia principal a la transferencia en la capa líquida, en tanto que los
gases muy solubles hallan dicha resistencia en la capa gaseosa. Los gases de solubilidad
intermedia hallan una importante resistencia en ambas capas. La figura 1 muestra un
esquema de las dos capas. La tasa de transferencia del gas es, en general, proporcional a la
diferencia entre la concentración existente y la concentración de saturación del gas en la
solución. En forma de ecuación, la relación puede expresarse como:
dC/dt = KLa (Cs – C)
siendo:
(1)
C = concentración del gas a un tiempo t (mg/L)
t = tiempo (s)
Cs = concentración de saturación del gas (mg/L)
KLa = coeficiente de transferencia volumétrico (s-1)
KLa incluye, en este caso, el efecto de la resistencia de una y otra capa, y es también
función del área de la interfase gas-líquido que existe por volumen unitario de fluido.
P
Presión
parcial o
concentración
Fase
gaseosa
Pi
Inter.fase
Fase
líquida
Ci
C
Capa
de gas
Capa
de
líquido
Distancia
Figura 1. Esquema de la teoría de la doble capa para la transferencia de gases
La concentración de equilibrio del gas disuelto en un líquido es función de la presión
parcial del gas en contacto con el líquido. Esta relación viene dada por la ley de Henry:
Pg = H Xg
Siendo:
(2)
Pg = presión parcial del gas en atmósferas
H = constante de la Ley de Henry, está en función de la temperatura y
naturaleza del sistema.
Xg = fracción molar de equilibrio del gas disuelto en la fase líquida,
El oxígeno es relativamente poco soluble en el agua por lo cual es necesario aumentar la
interfase agua-aire. En los procesos de tratamiento de agua la aireación se logra casi
siempre con burbujas de aire que se dispersan en el líquido desde el fondo de los tanques de
contacto de 3 a 4 metros de profundidad. Los dispositivos de aireación más utilizados son
tubos y placas porosas, tuberías perforadas y difusores plásticos o metálicos de diversas
formas y tamaños, También se emplean dispositivos basados en la formación de esfuerzos
cortantes para crear pequeñas burbujas haciendo que un flujo de líquido choque en un
orificio de modo que las burbujas de aire se rompan en otras de menor tamaño. Los
aireadores mecánicos consisten, por lo general, en turbinas de alta velocidad que funcionan
en la superficie del líquido, parcialmente sumergidas. Se diseñan de forma que mezclen
íntimamente y recirculen grandes volúmenes de agua y aire.
Para una cantidad dada de aire introducida en un líquido, la superficie disponible por la que
puede tener lugar la transferencia de gas aumenta a medida que el tamaño de burbujas
disminuye. La transferencia efectiva de gas depende también de la agitación del agua. La
turbulencia reduce el espesor de la capa líquida y disminuye la resistencia a la transferencia
y a la dispersión del gas disuelto una vez que haya tenido lugar la transferencia. Las
burbujas de aire tienen un efecto ascensional debido al arrastre viscoso y favorecen la
turbulencia y circulación del líquido, conforme suben las burbujas de aire tienden a
aumentar de tamaño debido a la reducción de presión y coalescencia.
Para un volumen dado de agua, los aireadores se calculan en base a la cantidad de oxígeno
transferido por unidad de aire introducido en el agua en condiciones equivalentes de
presión, temperatura y naturaleza del agua.
Los objetivos de este estudio son analizar la transferencia de oxígeno en agua para un
reactor de columna, alimentando el aire con un difusor de burbujas de un centímetro de
diámetro y compararlo con la aireación a través de un vénturi, tomando en cuenta el efecto
de la recirculación del agua.
METODOLOGÍA
Se usó un reactor de columna con un volumen de 50 L, la aireación se hizo a través de un
difusor y de un vénturi como se muestran en la figura 2. Las condiciones de operación del
reactor fueron las siguientes: presión atmosférica, temperatura ambiente de 21 °C, el caudal
de aire se varió entre 0.2 y 0.5 pies3 /min (SCFM). La recirculación del agua se realizó con
una bomba de 45 L/min a caudal constante. El flujo de aire a través del vénturi fue de 0.43
SCFM de manera constante mientras se operaba la bomba.
La determinación del coeficiente volumétrico de oxígeno (K La) en cada prueba se hizo
mediante el análisis de oxígeno con un oxímetro modelo YSI –50B. Las variables
estudiadas fueron: el caudal de aire, la influencia de la recirculación, la aplicación del aire
mediante el burbujeador, la aplicación del aire a través del vénturi, y la combinación de
ambos sistemas.
En cada prueba se usó agua destilada, al inicio de la prueba se reduce a cero la
concentración de oxígeno disuelto con sulfito de sodio y cloruro de cobalto como
catalizador, al iniciar la aireación se mide la concentración de oxígeno a intervalos de
tiempo conocidos. La KLa se calcula utilizando la solución de la ecuación 1, el
procedimiento consiste en graficar los valores de Ln(Cs-C) contra el tiempo y calcular la
pendiente que representa el valor de -KLa.
COLUMNA
DIÁMETRO: 0.20 m
ALTURA: 1.80 m
VOLUMEN UTILIZADO: 50 L
VENTURI
AIRE
REACTOR
G/L
BOMBA
ALIMENTACIÓN
DE AGUA
DIFUSOR
AIRE
HACIA EL DRENAJE
Figura 2. Reactor de columna para transferencia de gas-líquido
equipado con burbujeador y vénturi.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Las determinaciones del coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno para el reactor
a diferentes condiciones de operación, se hicieron en el siguiente orden:
1) Pruebas con el burbujeador a diferentes caudales de aire.
a. Sin recirculación de agua o volumen estático.
b. Con recirculación.
2) Pruebas con burbujeador y vénturi.
3) Pruebas con alimentación del aire a través del vénturi únicamente.
En la gráfica 1 se presenta un ejemplo del cálculo de los valores de KLa, en el caso de
aireación con el burbujeador para un caudal de aire de 0.5 SCFM, en el cual el valor
promedio de KLa es de 0.019 s-1 . El mismo procedimiento se sigue para cada prueba, los
valores promedio de KLa en h-1 se muestran en la tabla 1 para cada una de las condiciones
de operación.
Grafica 1. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA
DE OXÍGENO ( KL a) CON BURBUJEADOR, Qg (aire) = 0.5 SCFM
0
-0.5
0
50
100
150
200
LN(1-P/100)
-1
-1.5
PRUEBA 1
PRUEBA 2
PRUEBA 3
-2
-2.5
-3
y = -0.019x - 5E-16
PROMEDIO
Kla = 0.019
-3.5
-4
TIEMPO [s]
Los resultados de la tabla 1 nos muestran que efecto de la recirculación del agua aumenta la
transferencia de oxígeno en forma relativamente constante, con valores que van de 10.44 a
14.76 de KLa (h-1) en cada prueba, la recirculación es más importante cuando se aplica el
caudal de aire más bajo.
Tabla 1. RESULTADOS DEL COEFICIENTE KLa DEL OXÍGENO
CON BURBUJEADOR.
(1)
Qg
AIRE
(SCFM)
(2)
BURBUJEADOR
SIN RECIRC.
KLa (h-1)
(3)
BURBUJEADOR
CON RECIRC.
KLa (h-1)
(4)
AUMENTO
DE
KLa (h-1)
0.2
0.3
0.4
0.5
5.40
21.24
41.04
56.52
20.16
31.68
54.00
66.96
[(3)-(2)]
14.76
10.44
12.60
10.44
Cuando se opera el reactor con el burbujeador y el vénturi los valores de KLa aumentan
también de forma constante, en este caso el vénturi aporta una cantidad extra de aire que
está en función del caudal de la bomba de recirculación. En esta prueba el caudal del aire
que entra al vénturi es de 0.43 SCFM y las pruebas de transferencia de oxígeno con
aireación únicamente a través del vénturi, dan un valor de KLa de 50.4 h-1. Los resultados
se muestran en la tabla 2.
Tabla 2. RESULTADOS DEL COEFICIENTE KLa DEL OXÍGENO
CON BURBUJEADOR Y VÉNTURI.
Qg
AIRE
(SCFM)
0.2
0.3
0.4
0.5
BURBUJEADOR
Y VÉNTURI
CON RECIRC.
KLa (h-1)
39.6
57.6
70.56
76.32
VÉNTURI
CON RECIRC.
KLa (h-1)
50.4
Qg = 0.43 SCFM
en función del
caudal de la bomba.
En la gráfica 2 se presentan los valores de KLa en función del caudal de aire para cada
modo de operación, como se observa, la transferencia de oxígeno más baja corresponde a la
aireación con el burbujeador manteniendo el líquido estático. La transferencia de oxígeno
para el caso anterior se aumenta con la recirculación. Los valores más altos de KLa se
logran cuando se combinan las tres situaciones, la aireación con el burbujeador y el vénturi
incluyendo la recirculación.
Grafica 2. EFECTIVIDAD DE LOS DIFERENTES TIPOS DE AIREACIÓN
PARA LA TRANSFERENCIA DE OXÍGENO (KLa)
0.025
0.02
0.015
DIFUSOR C/RECIRC.
DIFUSOR Y VENTURI
DIFUSOR S/RECIRC.
0.01
K
La[s-1]
0.005
0
0.2
0.3
0.4
0.5
C
A
U
D
A
L
D
E
A
IR
E
[S
C
F
M
]
La transferencia de oxígeno que se tiene a través del vénturi la podemos comparar con la
del burbujeador para un caudal de 0.43 SCFM, y se tiene para el vénturi una KLa de 50.4 h-1
mientras que el burbujeador sin recirculación tiene una KLa de 46.8 h-1, De esto se deduce
que la transferencia de oxígeno para un mismo caudal de aire es mejor mediante el vénturi
que con el burbujeador.
El efecto de la recirculación aumenta la transferencia del oxígeno y en este caso el
burbujeador con recirculación es más eficiente que el vénturi, con una KLa de 61.2 h-1, para
un caudal de 0.43 SCFM.
Los mejores resultados se tienen cuando se combinan las tres condiciones: burbujeador,
vénturi y recirculación, en este caso se tienen dos entradas de aire y la KLa aumenta
considerablemente.
CONCLUSION
De acuerdo a los resultados obtenidos en este estudio podemos concluir que para un mismo
caudal de aire la eficiencia de transferencia de oxígeno mediante el burbujeador se mejora
con la recirculación y con la aireación a través del vénturi. Es decir que podemos utilizar
este dispositivo para mejorar la oxigenación de sistemas que ya cuentan con difusores.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo contó con el apoyo de CONACYT a través del Proyecto de Instalación No.
I30131T.
BIBLIOGRAFÍA
Metcalf –Eddy, (1981). Tratamiento y depuración de las aguas residuales, Editorial Labor ,
S.A., España.
Standard Methods For the Examination of Water and Wastewater, (1980) 15 th Edition,
APHA, AWWA, WPCF.
Treybal Robert E. (1980). Mass Transfer Operations, Mc.Graw Hill, N. Y.
Welty, James R. (1999). Fundamentos de transferencia de Momento, Calor y Masa.
Editorial Limusa, México.