Trazadores y Tiempos de Retención: Práctica de Ingeniería Ambiental

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