Transferencia-oxigeno (1)

LABORATORIO DE PROCESOS AMBIENTALES

PRACTICA 7:

TRANSFERENCIA DE OXIGENO

GUIA DE LABORATORIO DIRIGIDA A ESTUDIANTES DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE ÁREA ACADEMICA DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL 2015

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PRACTICA 7: TRANSFERENCIA DE OXIGENO

1.

OBJETIVOS



Calcular el coeficiente de transferencia de oxígeno (KLa)



Calcular el coeficiente 



Calcular el coeficiente 



Determinar la capacidad de oxigenación de un aireador a escala de laboratorio

2. TEORIA DE LA AIREACIÓN La aireación es una operación unitaria de fundamental importancia para un gran número de procesos aerobios de tratamiento de agua residual. Desde que un líquido este deficiente de un gas (oxígeno en este caso), existe una tendencia natural del gas de pasar de la fase gaseosa, donde se encuentra en cantidad suficiente, para la fase líquida, donde esta deficiente. Debido a la baja solubilidad del oxígeno en el agua, en diversos sistemas de tratamiento aerobio, la transferencia natural del oxígeno no es suficiente para garantizar los procesos biológicos de reducción de materia orgánica, por lo que se requiere acelerar la transferencia, de forma que el suministro del oxígeno se pueda dar a una tasa más elevada y eficiente (von Sperling, 1996). Existen principalmente tres formas de producir aireación artificial: 

Introducir aire u oxigeno en el líquido por medio de aireación difusa o de aire comprimido (el aire se rompe en burbujas y se dispersa a través del tanque)



Generar turbulencia superficial para que el líquido en forma de gotas entre en contacto con el aire (sistemas de aireación superficial y mecánica)



Introducir aire a través de sistemas de turbina, en los cuales se dosifica aire debajo de las paletas de rotación de un impulsor sumergido

El punto de partida de la teoría de la aireación es la Ley de Henry. Esta Ley afirma que cuando exista contacto entre una fase líquida y una fase gaseosa, ocurrirá entre ellas un continuo intercambio de moléculas. Tan pronto la concentración de solubilidad en la fase líquida sea alcanzada, los flujos pasan a ser de igual magnitud, de tal forma que no ocurre un cambio global de las concentraciones del gas en las dos fases. Esta concentración de equilibrio en la fase líquida se conoce como Concentración de Saturación - CS y se expresa como se presenta en la Ec.(1) (van Haandel y Marais, 1999): Donde:

Cs = KH.Pp Ecuación (1) Cs: concentración de saturación del oxígeno ó de equilibrio

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KH: constante de Henry

PP: presión parcial de oxígeno en el aire

La solubilidad del oxígeno atmosférico en el agua varía de acuerdo con la presión y la temperatura, para una atmósfera de presión y 0ºC será de 14.6 mg.L-1 y alrededor de 7 mg.L-1 a 35ºC. Este aspecto merece especial consideración pues a mayores temperaturas, las velocidades de oxidación biológica aumentan, la demanda de oxígeno aumenta y la solubilidad del oxígeno disminuye. 2.1

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE GASES

La transferencia de gases es el proceso por el cual el gas es transferido de una fase a otra. Existen varias teorías que explican los mecanismos de transferencia de oxígeno, siendo la más ampliamente aceptada la teoría de las dos capas (Orozco, 2005): La Teoría de las dos capas de Lewis y Whitman supone que para garantizar la transferencia del oxigeno desde la fase gaseosa hacia el agua, es necesario que se venza la resistencia del paso del gas al líquido. La Tasa de Transferencia de Oxígeno puede ser representada en la forma de una reacción de primer orden-Ley de Fick (van Haandel y Marais, 1999) (Ec. 2):

dC  K LaCS  C  dt Donde :

Ecuación (2)

dC/dt = tasa de transferencia de oxígeno, g.m-3.h-1 KLa = constante global de transferencia de gas, h-1 C = concentración de oxígeno en el reactor, g.m-3

Esta ecuación indica que a menor concentración de oxigeno (C), o mayor déficit de oxigeno (Cs - C), mayor será la tasa de transferencia. 2.2

FACTORES QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE OXÍGENO

La tasa de transferencia depende, tanto de las propiedades del sistema de aireación (resumidas en KLa) como de la solubilidad de cada especie, expresada como la concentración de saturación. Por otro lado, el valor de K La depende del sistema de aireación, de la geometría del reactor, de la temperatura y de las impurezas presentes en la fase líquida. La capacidad de aireación o tasa de transferencia de oxigeno de un equipo es reportada por el fabricante en condiciones estándar de temperatura y presión, es decir los equipos son calibrados a 20oC, a nivel del mar, con agua limpia y una concentración de oxigeno inicial de cero. Naturalmente lo que interesa no es saber la tasa de transferencia bajo las condiciones estándar, pero si en las condiciones de operación. Para calcular esta tasa es preciso que se corrija el valor de KLa por la influencia de los factores que no están de acuerdo con las condiciones estándar (van Haandel y Marais, 1999).

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Efecto de la temperatura. La temperatura influye en la transferencia de oxígeno, por que afecta tanto el valor de KLa como el de la concentración de saturación Cs. El valor de Cs en el rango de 0 a 50oC puede ser escrito por la Ec. (3) (von Sperling, 1997):

Cs ,T Cs , 20o Donde:



51,6 31,6  T

Ecuación (3)

Cs,T = concentración de saturación a una temperatura T Cs,20 = concentración de saturación a 20oC = 9,17 mg.L-1 T = temperatura

De acuerdo con lo anterior se obtiene la Ec. (4):

KLa,T = KLa20 .θ(T-20) θ

Donde:

KLa,T KLa,20

Ecuación (4)

= 1.020 a 1028 para sistemas de burbuja = 1.012 para sistemas de aireación mecánica = coeficiente de transferencia a TºC = coeficiente de transferencia del gas a 20ºC

Efecto de las impurezas. La presencia de impurezas en el agua residual dificulta la transferencia de oxígeno y disminuye el valor de K La. Por esta razón se introduce un factor α que puede variar de 0,6 a 1,2 para aireación mecánica y de 0,4 a 0,8 para aireación difusa (von Sperling, 1997) (Ec. 5):



K La(agua residual ) K La(agua lim pia)

Ecuación (5)

Las impurezas afectan adicionalmente a Cs, así se introduce otro factor β que generalmente esta en el rango de 0,7 a 1,0 (Ec. 6):



CS (agua residual ) CS (agua lim pia)

Ecuación (6)

Efecto de la presión atmosférica. Para presiones diferentes de la atmosférica, Cs en el agua esta dada por la Ec. (7) (von Sperling, 1997):

Cs  Donde:

Cs Csp P pa

C S sp * ( Pp  pa ) ( Pp  pa )

Ecuación (7)

= concentración de saturación a una presión P = concentración de saturación a una presión estándar de 1 atm = presión atmosférica local = presión de vapor de agua

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Pp

= presión estandarizada = 1,013 bar o 760 mmHg

2.4 EFICIENCIA DE OXIGENACIÓN Una vez establecida KLa, es posible estimar la eficiencia de un aireador. La eficiencia expresa la tasa de transferencia o capacidad de oxigenación (kgO2.m-3. h-1) por unidad de potencia consumida – P (kw) por unidad de volumen de reactor (m3) (van Haandel y Marais, 1999) (Ec. 8):

E aireador (kgO 2 /kw.h)  K L a *

(Cs  C ) P ( ) Vr

Ecuación (8)

En el caso de aireación difusa, la potencia requerida para los sopladores puede ser expresada por la Ec. (9):

P  Qaire *  * g * Donde:

Qaire P ρ g di ∆H ή

(di  H )



Ecuación (9)

= caudal de aire, m3.s-1 = potencia, w = peso especifico del líquido, 1000kg.m-3 = 9,81 m.s-2 = profundidad de inmersión de los difusores, m = pérdida de carga en el sistema de distribución de aire, m = eficiencia del motor y del soplador

La capacidad de oxigenación del aireador es dada por la Ec. (10): COair = KLa . Cs . Vr (kgO2.h-1) Ecuación (10) Donde:

Vr: volumen del reactor

Para elevar la tasa de transferencia de un sistema se deben considerar las tres posibilidades clásicas: cambiar el sistema de aireación por uno de mayor kLa; aumentar la solubilidad operando el sistema a alta presión; y/o aumentar el área de transferencia. Para asegurar una correcta aplicación de cualquiera (o cualquier mezcla) de las alternativas será necesario conocer a priori la tasa de transferencia que, en un punto de operación dado, consiga que el sistema de aireación trabaje a su máxima eficiencia.

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En esta práctica se utilizará un sistema de aireación al cual se le determinarán sus propiedades de transferencia gas/líquido en distintos puntos de operación.

3. EQUIPOS Y REACTIVOS EQUIPOS

REACTIVOS

• Medidor de oxígeno

• Solución de sulfito de sodio

• Sistema de aireación

• Solución de cloruro de cobalto

• Cronometro • Agitador magnético

4. METODOLOGÍA 4.1 Procedimiento 1. Calibrar el medidor de oxígeno 2.

Colocar agua en el reactor a escala de laboratorio y aplicar aireación hasta alcanzar la concentración de saturación. Consignar este valor y el de la temperatura del agua.

3.

Calcular la concentración de saturación teórica de oxígeno disuelto - CST (Tabla 1) Tabla 1. Concentración de saturación de oxígeno (mg.L-1) Temperatura Altitud (m) del Líquido 0 500 1000 1500 (oC) 10 11,3 10,7 10,1 9,5 15 10,2 9,7 9,1 8,6 20 9,2 8,7 8,2 7,7 21 9,0 8,5 8,0 7,6 22 8,8 8,3 7,9 7,4 23 8,7 8,2 7,8 7,3 24 8,5 8,1 7,6 7,2 25 8,4 8,0 7,5 7,1 28 7,9 7,5 7,1 6,6 30 7,6 7,2 6,8 6,4

4.

Desoxigenar el agua con 8 mg.L-1 de sulfito de sodio. Use 5 mg.L-1 de cloruro de cobalto como catalizador. Agite hasta obtener una concentración de oxígeno igual o cercana a cero.

5.

Airear el agua hasta que la concentración de oxigeno disuelto sea constante o alcance un 90% de Cs.

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7 6.

Registrar los datos de temperatura y valores de oxígeno disuelto a diferentes intervalos de tiempo en la Tabla 2.

7.

Repita el procedimiento con un volumen definido de agua residual.

4.2 Cálculos y Gráficas 1. Graficar los datos obtenidos en el ensayo, tal como lo muestra la Figura 1 y encontrar la ecuación de la recta. Determine el KLa para las dos muestras analizadas. Calcule el KLa a 20ºC para agua de grifo y agua residual. El cálculo del KLa se obtiene a partir de la integración de la Ec. (11):

Ln( Donde:

Co t

CS  C )  K L a.t CS  CO

Ecuación (11)

= concentración de oxigeno disuelto en el inicio de la aireación = tiempo de aireación

La ecuación muestra que la relación entre el logaritmo de la diferencia entre C s y la concentración actual de oxigeno es lineal con el tiempo, cuya pendiente es KLa (ver Figura 1).

Ln (Cs – C/ Cs – Co) KLa t Figura 1 Representación gráfica de la ecuación

2. Analice el efecto de la temperatura en la transferencia de oxígeno. 3. Analice el efecto de la altura sobre el nivel del mar en la concentración de oxígeno disuelto. 4. Determine el valor del coeficiente  5. Determine el valor del coeficiente  6. Cuál es la utilidad de los coeficientes  y ? 7. Determinar la capacidad de oxigenación del equipo de aireación del laboratorio. Guía de Laboratorio Procesos Ambientales

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5. BIBLIOGRAFIA Orozco, A. (2005). Bioingeniería de agua residual. Teoría y diseño.. Asociación Colombiana de Ingeniería-ACODAL. van Haandel, A. y Marais, G. (1999). O comportamento do sistema de lodo ativado: teoria e aplicações para projetos e operação. Campina Grande - Brasil, Epgraf. von Sperling, M. (1997). Lodos ativados. Belo Horizonte - Brasil, Departamento de engenharia sanitária e ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais.

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