aireacion y transferencia de gases

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