CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DEL CAUCA FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y DESARROLLO SOSTENIBLE PROGRAMA DE INEGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA Astudillo Campo Yeison, Banguero Vidal Tatiana, Cajiao Guerrero Yeison, Gonzales Tosne Darlin, Muñoz Urrea Yenny. Practica #1: Trazadores Y Tiempos De Retención RESUMEN En la práctica efectuada el día martes 28 de Febrero del presente año, se realizó la prueba de Trazadores Y Tiempos De Retención para determinar el comportamiento hidráulico de un reactor; para ello se utilizó un trazador (cloruro de sodio), el cual se le adiciono al reactor, y por medio de la toma de tiempos y la medición de conductividad encontrar la concentración del trazador en la salida del reactor con la ecuación de correlación de estas dos variables; una vez obtenidas las concentraciones se procedió a utilizar el modelo simplificado de Wolf and Resnik para determinar las fracciones del tipo de flujo, la presencia de zonas muertas o de cortos circuitos; dando como resultado el predomino de la fracción de flujo mezclado y la presencia de zonas muertas o cortos circuitos dentro de la unidad; por los que se recomendaría hacer una optimización del reactor para una mayor eficiencia y evitar dichos fenómenos hidráulicos. INTRODUCCIÓN La eficiencia hidráulica de los reactores es de gran importancia a la hora de un adecuado tratamiento de aguas, debido a que ciertas deficiencias hidráulicas pueden ocasionar determinadas características de flujo en la unidad, lo que afecta los periodos de retención hidráulica en los reactores y que posteriormente modificaran la eficiencia del mismo; por lo que es necesario hacer el estudio de presencia de fenómenos hidráulicos como cortos circuitos o zonas muertas. Para realizar este estudio es necesario identificar las causas de las deficiencias hidráulicas que se pueden dar por deficiencia en el diseño de las instalaciones o en prácticas inadecuadas de operación; debido a lo anterior es necesario tener en cuenta la importancia del tiempo de retención hidráulica y la caracterización del flujo dentro del reactor. MARCO TEÓRICO Un Reactor es el dispositivo donde ocurre un cambio en la composición debido a la reacción química, en otras palabras es cualquier recipiente donde ocurre una reacción química. Clasificación de los reactores químicos que entran a la unidad permanecen en ella el mismo tiempo; Un reactor con flujo mezclado es aquel en el que todo elemento que ingresa el reactor se dispersa inmediatamente dentro de él. En las Operaciones Unitarias es de gran importancia conocer la forma en que queda distribuido el volumen de la solución en el reactor se debe estudiar la distribución del tiempo de retención hidráulico (tiempo de permanencia en que sale el 50% de la carga de un sistema) y para ello es conveniente utilizar una sustancia trazadora, la cual, tiene que presentar una serie de características tales como el poder determinarse en cualquier momento y no perturbar el tipo de flujo que se presenta en el reactor, además debe provocar un cambio que sea detectable, en otras palabras que pueda ser aplicada en la entrada de la unidad y que simultáneamente se registre la concentración del trazador a la salida del mismo, (sal, colorantes, ácidos o una sustancia radiactiva). Los métodos para evaluar las características hidráulicas de un reactor pueden ser: Modelos matemáticos (el desarrollado por Wolf and Resnick), Análisis de la curva de tendencia (curva de Gauss); Con los cuales se puede encontrar el predominio del tipo de flujo y los fenómenos hidráulicos; el presente informe es desarrollado por medio del método de Wolf & Resnick para determinar el porcentaje de flujo mezclado, flujo pistón y flujo no ideal, que se derivan del flujo continuo. El flujo a pistón se describe como aquel en el que todas las partículas del fluido El flujo no continuo corresponde a cualquier grado intermedio entre flujo a pistón y flujo mezclado con presencia de zonas muertas y cortos circuitos en recirculación; Las zonas muertas son un factor macroscópico que incide en el tiempo de residencia de la sustancia trazadora y se pueden determinar a través de la relación tm/t0 > 1.0; por otra parte los cortos circuitos hidráulicos son aquella parte del flujo que tiene una velocidad infinita y un tiempo de retención muy pequeño o igual a cero (tm/t0 < 1.0). OBJETIVO GENERAL Realizar una prueba de trazadores en un reactor a escala piloto para evaluar las condiciones hidráulicas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Conocer el comportamiento hidráulico de un reactor. Determinar posibles mecanismos para optimizar las condiciones del reactor y mejorar la eficiencia del mismo. CÁLCULOS Y RESULTADOS Caudal. Se realizaron mediciones de volumen y tiempo a la entrada y salida del reactor con el fin de obtener un caudal promedio. Volumen del reactor. Se tiene como parámetro el diámetro del mismo y la altura de la lámina de agua, por lo cual el volumen se puede calcular como el volumen de un cilindro. Tiempo de retención hidráulico teórico. Los demás resultados se presentan en la tabla N°2. Función F(t). Dicha función representa los porcentajes de trazador que han salido del reactor después de un tiempo t; para obtenerla los valores que se presentan en la tabla N°3, se procedió de la siguiente manera a partir de los datos de la tabla N°2. Se muestra un cálculo tipo utilizando la concentración determinada al primer minuto de funcionamiento del reactor. Dicho valor teórico sale de la relación del volumen y caudal. Curva de correlación. Tomando como base los datos presentes en la tabla N°1 se procedió a graficar Conductividad en función de la Concentración con lo cual posteriormente se realiza el procedimiento de regresión lineal dando como resultado la ecuación de correlación. Donde Y: conductividad X: Concentración De aquí se despeja X en función de Y como prosigue. ( ) ∑ ( ) Función E(t). Representa los porcentajes de trazador que han salido del interior del reactor después de un tiempo t. Los valores obtenidos se presentan en la tabla N°3. ( ) ( ) Función Log [E(t)]. Con el fin de obtener una curva mas suave y consistente, se aplica la función logaritmo a los resultados obtenidos en el anterior procedimiento para de esta manera conseguir una ecuación de linealización representativa y así obtener los valores de los diferentes flujos presentes al interior del reactor. Los valores obtenidos se presentan en la tabla N°3. [ ( )] [ De igual manera se calculan las zonas muertas. %m = 47.38 TABLAS DE RESULTADOS ] Con el fin de obtener una actuación más representativa se eliminan valores de la función Log[E(t)] y de esta manera obtener un coeficiente R2 más cercano a 1; de esta manera se obtiene la ecuación Donde X=θ y Tanα=pendiente Para determinar el valor de θ se hace Y=0.224 (valor del primer dato utilizado en el proceso de lineaización) Tabla N°1. Datos utilizados en la obtención de la curva de correlación. Curva de correlación concentración (mg/L) 0 100 200 300 400 500 conductividad (mS/cm) 0.22 0.5 0.42 0.6 0.81 1.09 Tabla N°2. Concentraciones de NaCl obtenidos a partir de la ecuación de correlación. Con dichos resultados se procedió a calcular el porcentaje de flujo pistón que se presenta al interior del reactor | ( | | |) %P=0.93 Posteriormente se calcula el porcentaje de flujo mezclado %M=99.07 tiempo (min) 0 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 conductividad (mS/cm) 0.22 3.74 2.31 2.08 2.03 1.67 1.73 1.09 0.32 1.1 1.07 1.1 0.98 0.85 0.72 0.66 0.61 Concentración (mg/L) 2.0625 2202.0625 1308.3125 1164.5625 1133.3125 908.3125 945.8125 545.8125 64.5625 552.0625 533.3125 552.0625 477.0625 395.8125 314.5625 277.0625 245.8125 Tabla N°3. Función F(t). T (min) 0 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 C (mg/L) 2.063 2202.063 1308.313 1164.563 1133.313 908.313 945.813 545.813 64.563 552.063 533.313 552.063 477.063 395.813 314.563 277.063 245.813 C. acumulada (mg/L) 2.063 2204.125 3512.438 4677.000 5810.313 6718.625 7664.438 8210.250 8274.813 8826.875 9360.188 9912.250 10389.313 10785.125 11099.688 11376.750 11622.563 t/t0 0.000 0.022 0.044 0.067 0.089 0.111 0.222 0.333 0.444 0.555 0.666 0.777 0.888 0.999 1.110 1.221 1.332 c.acum/c.max 0.000 0.190 0.302 0.402 0.500 0.578 0.659 0.706 0.712 0.759 0.805 0.853 0.894 0.928 0.955 0.979 1.000 1-F(t) 1.000 0.810 0.698 0.598 0.500 0.422 0.341 0.294 0.288 0.241 0.195 0.147 0.106 0.072 0.045 0.021 0.000 log 1-F(t) 0.000 -0.091 -0.156 -0.224 -0.301 -0.375 -0.468 -0.532 -0.541 -0.619 -0.711 -0.832 -0.974 -1.142 -1.347 -1.675 Grafica N°. Curva de correlación Curva de correlación 1.2 Conductividad (mS/cm) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 y = 0.0016x + 0.2167 R² = 0.9047 0 0 100 200 300 400 Concentración (g/L) Curva de correlación Lineal (Curva de correlación) 500 600 Grafica N°2. Comportamiento de la conductividad con respecto al tiempo. Conductividad (mS/cm) Conductividad vs Tiempo 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 50 60 70 1.000 1.200 1.400 Tiempo (min) Grafica N°3. Comportamiento de la concentración con respecto al tiempo. Concentracion vs Tiempo Concentracion (mg/L) 2500 2000 1500 1000 500 0 0 10 20 30 40 Tiempo (min) Grafica N°4. Función E(t). Funcion E(t) 1.200 1.000 1-F(t) 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000 0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 t/t0 Grafica N°5. Función log E(t). log E(t) 0.000 -0.200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Log [1-F(t)] -0.400 -0.600 -0.800 -1.000 -1.200 -1.400 y = -0.8346x - 0.2199 R² = 0.9604 -1.600 -1.800 ANALISIS DE RESULTADOS Al observar las gráficas # 2 y 3 podemos deducir que en el interior del reactor se presentan cortos circuitos debido a que la curvas presentan un sobresalto de concentración y conductividad en un tiempo relativamente corto en comparación con el tiempo de retención hidráulico teórico de nuestro rector en estudio; por otra parte al aplicar el modelo simplificado de wolf and resnick, al calcular la fracción en porcentaje de flujo pistón presente en el reactor nos dio un resultado menor al 1% y la fracción de porcentaje de zonas muertas (m) un 47 % valor considerable y lo que explica por qué se dio el sobresalto de concentración del trazador a la salida del reactor en un tiempo tan corto después de su entrada, otra posible explicación es que este problema pudo haberse presentado por errores experimentales, instrumentales etc. De acuerdo a los resultados obtenidos por el modelo simplificado de wolf and resnick el flujo que predomina en el reactor es el flujo mezclado con un porcentaje mayor al 99%; y el porcentaje de flujo a pistón es menor a 1% t/to lo cual es entendible debido a que el flujo pistón es un flujo ideal y es algo difícil de obtener, y como se observó en la práctica el reactor de estudio es algo rudimentario, de lo que se infiere que este valor es acertado aunque pudo haberse visto afectado por posibles errores cometidos durante la práctica. Observando el porcentaje de flujo mezclado que es cercano a un 99% y comparándolo con la teoría, se puede decir que una fracción mayor de la masa de agua ha sufrido un tratamiento más corto o más largo del que se desea, en otras palabras la eficiencia del reactor no es muy buena. Por otra parte cabe resaltar que toda la práctica estuvo expuesta a errores de todas las índoles, los cuales afectarían los resultados de nuestras pruebas de estudio (instrumentales, humanos, etc). Con base en lo anterior, podemos inferir que los errores que influyeron en la práctica pudieron influir de forma drástica con nuestros resultados, por lo que se aconseja realizar este procedimiento con el mayor cuidado posible, con la utilización de instrumentos limpios, calibrados, etc. además de eso para un buen estudio sería conveniente trabajar con un mejor reactor o por lo menos es necesario que se le hagan adaptaciones al interior del reactor existente, como la implementación de un medio filtrante, entradas de flujo adicional, un falso fondo, etc, todo esto con el fin de que el reactor sea más eficiente y se facilite el estudio hidráulico del mismo. Los errores pueden cambiar drásticamente los resultados; por ello hay que hacer las cosas con el mayor profesionalismo, cuidado y exactitud posible, teniendo en cuenta que como futuros profesionales en la ingeniería ambiental tendremos grandes responsabilidades lo cual dependerá de los resultados que obtengamos. Se recomienda trabajar con un mejor reactor o por lo menos se es necesario que se le hagan ciertas mejoras o adaptaciones, tales como: (medio filtrante, entradas de flujo adicional, un falso fondo, etc.) para que el reactor sea más eficiente y se facilite el estudio hidráulico del mismo. CONCLUSIONES Se logra interpretar los resultados y las características hidráulicas del reactor obtenidos mediante el método de Wolf and Resnick, por el cual se obtuvo que la fracción predominante en el reactor fue de flujo mezclado con un 99.07% y con solo un 0.93% de flujo pistón. El tiempo de retención hidráulico teórico indica el tiempo en que teóricamente debería salir la concentración total del trazador que se inyecto dentro del sistema; en la práctica esto no fue así, debido a problemas del reactor o errores cometidos durante el ensayo. De acuerdo a los resultados se puede asegurar que dentro del reactor hay presencia de espacios muertos, lo que afecta el tiempo de retención de las partículas y disminuye la efectividad del tratamiento y con ello la eficiencia del reactor. Un porcentaje bajo de flujo pistón indica que el reactor es deficiente, debido a que las partículas del fluido que entran en su interior permanecen en mayor o menor tiempo que el esperado de acuerdo a su tiempo de retención hidráulico; en otras palabras el tratamiento se está efectuando de forma inadecuada y el reactor tiene una baja eficiencia. BIBLIOGFRAFIA Rojas, V; García, A. Centro de investigaciones de Niquel (CEINNIQ). 2010. Pdf. “Análisis de la curva de distribución del tiempo de residencia en un sistema de lixiviación”. “Análisis de flujos y factores que determinan los periodos de retención” http://www.bvsde.opsoms.org/bvsatr/fulltext/tratamient o/manualIII/capitulo2.pdf -Fecha de visita 3-03-17 “Introducción a los reactores químicos” http://depa.fquim.unam.mx/amyd/ archivero/IntroReactores_10564. pdf - Fecha de visita 3-03-17
