GUIÓN DE PRÁCTICAS

Ciencia y Tecnología del Medio Ambiente

Profesores: José Mar ía Monteagudo Mar tínez Antonio Durán Segovia

1. Práctica 1: Tratamiento de Efluentes Industr iales mediante Radiación UV.

2. Práctica 2: Diseño de un sedimentador

3. Práctica 3: Eficacia de aireadores

PRÁCTICA 1

Tratamiento de Efluentes Industr iales mediante Radiación UV.

1. OBJETIVO

• Comprobar la eliminación de azul de metileno (C16H18ClN3S. 3H2O) del agua

residual mediante la aplicación de radiación ultravioleta en presencia de

peróxido de hidrógeno (H2O2).

• Calcular la constante de velocidad y el orden de la reacción de oxidación de este

contaminante.

2. INTRODUCCIÓN

Luz ultravioleta es esa porción del espectro electromagnético que se encuentra

entre los rayos X y la luz visible (Figura 1). Se han definido cuatro regiones del espectro

UV­ vacío (UV entre 100 y 200nm), UVC entre 200 y 280nm, UVB entre 280 y 315nm,

y UVA entre 315 y 400nm. Las aplicaciones prácticas de la radiación UV corresponden

a la UVC.

Las fuentes de UV más comunes son lámparas de arco de mercurio de baja y mediana

presión (254 nm). Una lámpara típica de arco de mercurio (Figura 2) consiste de un tubo

herméticamente cerrado de sílica vitreosa o cuarzo (transmisores ambos de UV), con

electrodos a ambos extremos. El tubo es llenado con una pequeña cantidad de mercurio

y un gas inerte, usualmente argón a presión de algunos torricellis (torr). Los electrodos

están compuestos usualmente de tungsteno con una mezcla de metales de tierra

alcalinos para facilitar la formación del arco dentro de la lámpara. Una descarga de gas

es producida por un voltaje elevado a través de los electrodos. La luz UV es emitida

desde la lámpara cuando el vapor de mercurio excitado por la descarga, retorna a un

nivel menor de energía. El argón presente ayuda para el arranque de la lámpara,

extender la vida del electrodo, y reducir las pérdidas térmicas. El argón no contribuye al

espectro de rendimiento de la lámpara

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En un reactor provisto de una lámpara UV se añadirá cierto volumen de agua

con una concentración conocida de azul de metileno. El reactor estará agitado. Se

añadirá un volumen de 5 ml de peróxido de hidrógeno (30 % riqueza) y justo en ese

momento se encenderá la lámpara UV. La reacción de oxidación comenzará. Se

tomarán muestras de agua cada cierto tiempo comprobándose la disminución de color,

midiéndose la absorbancia de la disolución mediante un espectrofotómetro.

La concentración de azul de metileno se calcula mediante una recta de calibrado

preparada previamente, que relaciona la absorbancia con la concentración de dicho

contaminante.

Una vez conocidos los datos de concentración en función del tiempo, se puede conocer

la velocidad instantánea de la reacción en cada instante:

(1)

Con la ecuación obtenida se confecciona una tabla de concentración (obtenida de

los datos de absorbancia) frente a velocidad de reacción en cada instante de tiempo (la

velocidad se calculará sustituyendo el dato de tiempo en la ecuación derivada).

La ecuación de velocidad genérica de una reacción es:

(2)

donde

C: concentración de contaminante t: tiempo k: constante de velocidad de la reacción n: orden de reacción

De la ecuación (2), aplicando logaritmos, se obtiene la siguiente expresión:

Log (V) = Log (k) + n Log (C) (3)

Representando Log(v) frente Log(C) se obtendrá una línea recta de pendiente “n” y de

ordenada en el origen “Log(k)”.

velocidad dt

dC = −

n kC

dt

dC v = − =

4. CÁLCULOS

Recta de calibrado: Preparar distintas disoluciones de azul de metileno de concentración conocida y medir su absorbancia:

Representar gráficamente los datos de concentración frente a los datos de absorbancia y obtener una ecuación de ajuste:

2,13 10 ­5 1,42 10 ­5 5,69 10 ­6 1,13 10 ­6 2,84 10 ­7

Absorbancia Concentración (M)

2,13 10 ­5 1,42 10 ­5 5,69 10 ­6 1,13 10 ­6 2,84 10 ­7

Absorbancia Concentración (M)

C

A

Datos de la reacción: Con la recta de calibrado podemos saber la concentración de

contaminante en cada instante:

Datos de la reacción: Graficar los datos de concentración obtenidos en cada instante

frente al tiempo y obtener la ecuación de ajuste de la curva: C = f (at 2 + bt + cte).

Calcular la primera derivada de la ecuación ajustada C = f (at 2 + bt + cte)

V = ­ dC/dt ; V = 2 a t + b (4)

C (M)

Tiempo (min)

12

10

8

Concentración (M) Absorbancia Tiempo (min)

14

6

4

2

0

12

10

8

Concentración (M) Absorbancia Tiempo (min)

14

6

4

2

0

Completar la siguiente Tabla:

Construir la gráfica (Log V) vs (Log C):

Log (V) = Log (k) + n Log (C)

log C

RESULTADOS:

Pendiente à n Ordenada origenà k

log v

14

12

10

8

6

4

2

0

Log v Log C Velocidad (mol/L.min)

Concentr ación (M)

Tiempo (min)

14

12

10

8

6

4

2

0

Log v Log C Velocidad (mol/L.min)

Concentr ación (M)

Tiempo (min)

PRÁCTICA 2

Diseño de un sedimentador

1. OBJETIVO.

Determinar la curva característica de un sedimentador discontínuo y utilizar la

información obtenida para el diseño de un sedimentador contínuo.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO.

La sedimentación es una operación unitaria consistente en la separación por la

acción de la gravedad de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida para

obtener una suspensión concentrada y un líquido claro.

2.1. Sedimentación por zonas

El proceso de sedimentación por zonas consta de las siguientes etapas: en un

principio el sólido comienza a precipitar estableciéndose una interfase entre la

superficie de la capa de sólidos que sedimentan y el líquido clarificado que queda en la

parte superior (Figura 1). La zona inferior del líquido clarificado se denomina zona

interfacial. La concentración de sólido en esta zona es uniforme precipitando toda ella

como una capa de materia a velocidad constante Vs. Simultáneamente a la formación de

la interfase 1 y de la zona interfacial, existe una compactación de los sólidos en

suspensión en el fondo del cilindro, dando lugar a la denominada zona de

compactación. En esta zona la concentración de sólidos en suspensión es también

uniforme y la interfase que bordea esta zona, interfase 2, avanza en el cilindro con una

velocidad constante V.

Entre la zona interfacial y la zona de compactación hay una zona de transición.

En esta zona la velocidad de sedimentación de los sólidos disminuye debido al

incremento de la viscosidad y de la densidad de la suspensión, cambiando la

concentración de sólido gradualmente entre la correspondiente a la zona interfacial y la

de la zona de compactación.

Figura 1. Proceso de sedimentación por zonas.

Considerando las interfases 1 y 2, se obtiene la figura 1b. La interfase 1 se

mueve hacia abajo con una velocidad constante Vs mientras que la interfase 2 se mueve

hacia arriba con una velocidad constante V.

Las zonas de compactación e interfacial pueden llegar a encontrarse en el

denominado momento crítico tc, desapareciendo la zona de transición. En este

momento el lodo sedimentado tiene una concentración uniforme Xc o concentración

crítica, comenzando la compactación y alcanzándose la concentración final Xu.

Utilizando la nomenclatura utilizada en el capítulo 7 del libro de Costa

“Ingeniería Química 3. Flujo de fluidos”, correspondiente al estudio de flujo bifásico

sólido­líquido:

Flujo volumétrico total: j = jS + jF [1]

Flujo volumétrico de sólido: jS = VS AS / A = VS (1­ ε) [2]

Flujo volumétrico de fluido: jF = VF AF / A = VF ε [3]

donde:

j = flujo volumétrico total (m 3 /m 2 s).

JS = flujo volumétrico del sólido (m 3 /m 2 s).

Jl = flujo volumétrico del líquido (m 3 /m 2 s).

VS = velocidad media del sólido (m/s) referido a la sección de tubería.

VF = velocidad media del fluido (m/s) referido a la sección de tubería.

ε = fracción volumétrica ocupada por el fluido.

El flujo volumétrico relativo del sólido respecto a una superficie que se desplaza

con una velocidad media V viene dado por la expresión:

jSF = jS – j (1­ε) [4]

El flujo volumétrico relativo del fluido respecto a una superficie que se desplaza

con una velocidad media V será:

jFS = ­ jSF [5]

Como en el caso de sedimentación por cargas j=0, se cumplirá que:

jSF = j S = ­ jF = ­ jFS [6]

De acuerdo con la teoría de las ondas cinemáticas unidimensionales, la

velocidad de propagación de una onda ordinaria es:

) 1 ( ε ε − ∂ ∂

= ∂

∂ = SF FS

W j j V [7]

es decir, la pendiente de la curva jSF frente a (1­ε).

La velocidad de propagación de una pulsación viene expresada, de acuerdo con

dicha teoría, por:

1 2

1 2

) 1 ( ) 1 ( ) ( ) ( ε ε − − −

− = SF SF

P j j V [8]

es decir, la pendiente de las cuerdas en el diagrama jSF frente a (1­ε).

La teoría de Kynch sobre la sedimentación intermitente se basa también en este

tipo de curvas. Dependiendo de la forma de las mismas, se establecen los tres tipos de

sedimentación por cargas que a continuación se describen:

Sedimentación tipo I:

Una vez trazada la curva de datos experimental, figura 2, resulta posible trazar

una recta desde el punto de la curva correspondiente a la concentración inicial de sólido

en la suspensión (1­ε)0 hasta el punto [(1­ε)∞, 0], siendo (1­ε)∞ la concentración final del

sólido en el sedimento.

Curva experimental

pte = V BD

jSF

A (1­ε) 0 (1­ε) ∞

B

pte=V AB

a)

jSF

A (1­ε) 0 (1­ε) ∞

b)

(1­ε) 1 (1­ε) 2

Figura 2. Curvas de sedimentación tipo I.

En este caso sólo aparece la zona de sedimentación libre B, no existiendo la zona

de compresión C (figura3).

La velocidad de descenso de la superficie AB como se trata de una pulsación en

la que la concentración de sólidos pasa de (1­ε) = 0, zona A, a (1­ε)0, zona B, vendrá

dada de acuerdo con la ecuación [8] por la pendiente de la cuerda AB de la figura.

La velocidad de ascenso de la superficie BD, por la misma razón, será la

pendiente de la cuerda que une los puntos B y D.

La sedimentación finaliza cuando las dos pulsaciones se encuentran, es decir,

cuando la superficie BD que asciende, se encuentra a la AB que desciende.

Dependiendo que la curva resultante de representar jSF frente a (1­ε) sea como

las correspondientes a las figuras a) ó b), el tipo de sedimentación I se presenta para

cualquier valor de concentración inicial (caso a) o para valores restringidos de ésta (caso

b, en la que la zona (1­ε)1 ­ (1­ε)2 no presenta sedimentación del tipo I).

Sedimentación tipo II:

En este tipo de sedimentación no se puede trazar una recta que llegue a [(1­ε)∞,

0] desde el punto de la curva correspondiente a (1­ε)0 sin que corte a la curva, pero se

pueden trazar las tangentes en (1­ε0) y desde (1­ε)∞ (figura 4).

A A

A

B B B

D D

D

Figura 3. Proceso de sedimentación tipo I.

En este caso se presentan tanto la zona de sedimentación libre B como la de

compresión C (figura 5), separadas por una superficie de dificil percepción, lo que hace

que la superficie BC sea similar a una onda al ir variando la concentración

progresivamente.

Se pueden realizar los siguientes cálculos:

­ Velocidad de descenso de la superficie AB = pendiente de la cuerda AB.

­ Velocidad de ascenso de la superficie BC (onda) = pendiente de la tangente en B.

­ Velocidad de ascenso de la superficie CD = pendiente de la tangente desde D (DC).

jSF

A (1­ε) 0 (1­ε) ∞ (1­ε) 2

B

C

pte=V AB pte=V CD D

Figura 4. Curva de sedimentación tipo II.

A A

A

B B

C

D D

D C

Figura 5. Proceso de sedimentación tipo II.

Las características de las distintas zonas durante la sedimentación serán:

Zona A: líquido claro. (1­ε) = 0.

Zona B: Concentración constante = (1­ε)0

Zona C: Concentración variable desde (1­ε)0 hasta (1­ε)2

Zona D: Sedimento compactado = (1­ε)∞.

Al encontrarse las superficies AB y BC, desaparece la zona B y la velocidad de

descenso de la superficie AC disminuye con el tiempo. La compresión de la zona C

continua hasta que se encuentran las superficies AC y CD en el que ocurre el fin de la

sedimentación.

Sedimentación tipo III:

En este tipo de sedimentación no se puede trazar una recta desde el punto de la

curva correspondiente a (1­ε)0 hasta [(1­ε)∞, 0] sin cortar a la curva, pero sí es posible

trazar tangentes a la curva desde ambos puntos (figura 6).

En este caso se manifiestan tanto la zona de sedimentación libre B como de

compresión C con una superficie límite entre ellas BC, nítidamente diferenciada (figura

7).

Figura 6. Curva de sedimentación tipo III.

Se pueden expresar las siguientes igualdades:

jSF

A (1­ε) 0 (1­ε) ∞ (1­ε) 1

V AB pte=V CD

(1­ε) 2

V BC

­ Velocidad de descenso de la superficie AB = pendiente de la cuerda AB.

­ Velocidad de ascenso de la superficie BC = pendiente de la cuerda BC.

­ Velocidad de ascenso de la superficie CD = pendiente de la tangente desde (1­ε)∞

Las características de las distintas zonas durante la sedimentación son las

siguientes:

Zona A: líquido claro. (1­ε) = 0.

Zona B: Concentración constante = (1­ε)0

Zona C: Concentración variable desde (1­ε)1 hasta (1­ε)2

Zona D: Sedimento compactado = (1­ε)∞.

En este caso, al desaparecer la zona B, la velocidad de descenso de la superficie

AC es constante, completándose la sedimentación cuando las superficies AC y CD se

encuentran.

2.2. Obtención experimental de las curvas J SF / (1­ε).

La obtención en el laboratorio de esta curva se realiza mediante un experimento

de sedimentación discontínua, en el se obtienen para cada tiempo las alturas de la

interfase de separación de la zona de líquido claro, obteniéndose la curva h­t (figura 8) .

A A

A

B B

C

D D D

C

Figura 7. Proceso de sedimentación tipo III.

Figura 8. Curva experimental obtenida en un experimento de sedimentación.

Si se considera un espacio de tiempo diferencial dt (figura 9), durante el cual el

nivel de líquido claro ha descendido (­dh), el caudal de sólidos que ha atravesado la

superficie mm’ será, sabiendo que jSF = jS:

(jSF) S dt = S (­dh) (1­ε) [9]

de donde despejando jSF :

jSF = jS = (1­ε) (­dh/dt) [10]

siendo (­dh/dt) la velocidad de sedimentación Vs.

h ∞

h 0

h

h 0 (1­ε 0 )/ (1­ ε)

h

t

Figura 9. Proceso de sedimentación en un tiempo dt.

El procedimiento a seguir es el siguiente:

Para cada punto de la curva h/t se traza la tangente, cuya pendiente será dh/dt.

Por otra parte, la ordenada en el origen de dicha tangente, de acuerdo con la figura 8,

será h0 (1­ε0)/( 1­ε). Por lo tanto, midiendo la ordenada en el origen, calculamos (1­ε),

por lo que aplicando la ecuación [10] se obtiene jSF para cada valor de (1­ε).

2.3. Sedimentación contínua

La sedimentación a escala industrial se lleva a cabo en tanques cilíndricos de

gran superficie que se alimentan continuamente de suspensión inicial con caudal

volumétrico Q0 y concentración de sólido (1­ε0) (figura 10). De él salen dos corrientes:

­ Una corriente de sedimento por su parte inferior, con caudal volumétrico QD y

concentración (1­ε)D.

­ Otra de líquido clarificado, con caudal volumétrico QA y concentración de líquido ε

= 1.

h

h ­ dh m

A líq. claro

B, C ó D

1 ­ ε

A

B, C ó D

m m' m'

dt

Debido a su funcionamiento en régimen estacionario, las alturas de cada una de las

zonas permanecen constantes.

Para diseñar un sedimentador continuo debe calcularse la superficie transversal

S y la altura H, basándose en las curvas experimentales de sedimentación obtenidas en

laboratorio (sedimentación intermitente) conociendo, además, los siguientes datos:

­ Q0, 1­ε0, 1­εD,

­ Propiedades del sólido y el líquido.

El flujo volumétrico total descendente en el decantador j que es este caso es distinto

de 0, puede expresarse como:

j = jD = QD / S [11]

Siguiendo la nomenclatura utilizada al hablar de flujo bifásico flujido­sólido:

jSF = jS – j (1­ε) jSF = jS – jD (1­ε) [12]

y despejando el flujo volumétrico de sólido descendente jS éste es igual a la siguiente

expresión:

Figura 10. Esquema de un sedimentador continuo.

A

B

D

Q D (1­ε) D = (1­ ε) ∞

Q A

Q 0

ε = 1

1­ε 0

C

jS = jSF + jD (1­ε) [13]

Se desprende de esta ecuación que, en el caso de un sedimentador continuo, el

flujo de sólido descendente jS, se compone de dos términos, el jSF (único existente en la

sedimentación intermitente) y el flujo de sólido que continuamente abandona el

espesador por su base jD (1­ε).

Realizando un balance de sólido alrededor del sedimentador:

Q0 (1­ε)0 = QD (1­ε)D D

D j j ) 1 ( ) 1 ( 0

0 ε ε

− −

= [14]

Por definición se tiene que:

0 0 0 0 ) 1 ( ) 1 (

ε ε

− = −

= j S

Q j S [15]

de donde, despejando S, puede hallarse el área del correspondiente sedimentador

contínuo:

S j Q S 0 0 ) 1 ( ε −

= [16]

A partir de las ecuaciones [13], [14] y [15], se obtiene que:

D S S

D S D S SF j j j j j j j

) 1 ( ) 1 (

) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( 0

0 ε ε

ε ε ε ε

− −

− = −

− − − = − − =

D S S SF j j j

) 1 ( ) 1 (

ε ε

− −

− = [17]

La ecuación [17] que representada en el diagrama jSF / (1­ε) es una recta de

pendiente (­jS / (1­ε)D) y ordenada en el origen jS se denomina recta de operación ya

que a ella se ajusta el funcionamiento del sedimentador.

Dependiendo del tipo de sedimentación que se esté llevando a cabo, el trazado

de las rectas de operación será diferente:

Sedimentación tipo I:

En la figura 11 se ha señalado el punto de la curva de abcisa (1­ε)D=(1­ε)B, punto

T, correspondiente a la concentración inicial y sobre el eje de abcisas, la concentración

final (1­ε)D.

La recta de operación se obtiene uniendo ambos puntos, la ordenada en el origen

indicará el flujo volumétrico total de sólido jS de acuerdo a la ecuación [16].

La concentración de salida (1­ε)D puede ser incrementada a otro valor (1­ε)D’ e

incluso llegar a la máxima alcanzable (1­ε)∞ en la sedimentación por cargas,

disminuyendo a la vez jS (línea de puntos jS’).

jSF

A (1­ε) 0 = (1­ε) B (1­ε) D ’ (1­ε) D

jS jS’ T

Figura 11. Sedimentación tipo I.

En este caso no se presentaría en el espesador la zona de compresión (figura 12).

Además, y como se verá a continuación, un espesador en estas condiciones funciona

siempre por debajo de su capacidad máxima.

Sedimentación tipo III:

En este caso la concentración límite final (1­ε)D ha de ser compatible con la de la

disolución inicial (1­ε)0 y el área mínima viene fijada por la tangente a la curva desde el

punto (1­ε)D, como se ve en la figura 13.

En este tipo de sedimentación aparece la zona de compresión C con

concentraciones comprendidas entre (1­ε)C y (1­ε)D, siendo (1­ε)C la correspondiente al

punto de tangencia con la curva. El aparato funciona siempre a su capacidad máxima

(figura 14).

A

B

D

Q D (1­ε) D

Q A

Q 0

ε = 1

(1­ε) 0

Figura 12. Sedimentador continuo para llevar a cabo una sedimentación tipo I.

2.4. Cálculo de la altura del sedimentador contínuo

En un sedimentador industrial continuo, hay una parte de la altura que no se

somete a cálculo, concretamente la altura correspondiente a la zona de clarificación A y

la altura adicional que supone la inclinación del fondo. Por estos dos conceptos se suele

dar una corrección de altura (h1 + h2) entre 80 y 120 cm.

jS máx

A (1­ε) 0= (1­ε) B

(1­ε) ∞ (1­ε) D (1­ε) c

jS’

jSF

Figura 13. Sedimentación tipo III.

A

B

D

C

Figura 14. Sedimentador continuo para llevar a cabo una sedimentación tipo III.

La altura correspondiente a las zonas de sedimentación y compresión se obtienen

a partir del volumen del sedimentador. Éste se calcula como suma de los volúmenes

correspondientes a los líquidos y a los sólidos.

(Vol.)S = (Vol.)l + (Vol.)s

a) Cálculo del volumen de sólidos:

Se calcula mediante la expresión:

(Vol.)susp = Q0 (1­ε)0 tD [18]

donde tD es el tiempo de residencia de los sólidos en el sedimentador, es decir, el tiempo

que tardan desde que entran con concentración (1­ε)0 hasta que salen con concentración

(1­ε)D. Esta variable tD se calcula a partir de la curva h/t, trazando la tangente a la curva

desde el punto h0 (1­ε0)/(1­εD), obtenida en el experimento llevado a cabo en el

laboratorio.

b) Cálculo del volumen de líquidos:

Si se toma un elemento diferencial de volumen de líquido de sedimentador en el

que el tiempo de residencia sea dt:

ε ε

ε ε

ε −

− = −

= 1

) 1 ( 1

) ( ) ( 0 0 dt Q Vol d Vol d s l [19]

Como ε / (1­ε) varía a lo largo del sedimentador:

dt Q Vol D t

l ∫ − − =

0 0 0 1 ) 1 ( ) (

ε ε

ε [20]

Por lo tanto, a partir de las ecuaciones [18] y [20], se llega a la expresión:

) 1

( ) 1 ( ) ( 0 0 0 dt t Q Vol D t

D susp ∫ − + − =

ε ε

ε [21]

La integral puede calcularse de forma gráfica o numérica. La altura del

sedimentador, por lo tanto, puede calcularse a partir de la expresión:

) 1

( ) 1 ( 0 0

0 dt t S Q h D t

D ∫ − + − =

ε ε

ε [22]

3. INSTALACION EXPERIMENTAL.

Consta de una probeta de vidrio cilíndrica graduada que contiene una

determinada suspensión de carbonato cálcico en agua. A ésta se ha añadido un colorante

soluble con el fin de apreciar mejor la separación entre la zona de líquido claro y la zona

que ocupa la suspensión (figura 15).

Figura 15. Instalación experimental de la práctica de sedimentación.

Suspensión

Líquido claro

Figura 8.

4. PROCEDIMIENTO OPERATIVO.

Antes de agitar la mezcla líquido­sólido de la probeta, deberá medirse la altura de

sedimentación h∞. A continuación, agitar la probeta hasta conseguir homogeneizar toda

la suspensión, y comenzar entonces a medir las variaciones de la altura con el tiempo.

La probeta deberá estar apoyada en un plano horizontal, sin vibraciones.

El proceso es inicialmente rápido, por lo que deberán tomarse medidas a

intervalos pequeños de tiempo (se sugiere 0,5 min.). Posteriormente dichos intervalos

podrán ser mayores.

Deben tomarse al menos unas 30 ó 40 medidas experimentales, para un tiempo

mínimo de 100 minutos.

Se representará gráficamente, en papel milimetrado, hL frente a t, tomando como

escala 1 minuto (para t) y 1 mm = 1 mm (para hL).

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Para realizar los cálculos de esta práctica, será necesario representar las

siguientes gráficas:

­ h vs t.

­ JSF vs (1­ε).

­ ε/(1­ε) vs t.

A partir de los resultados obtenidos con las sedimentación discontínua efectuada,

diseñar una instalación para sedimentación en contínuo de una disolución, que entra con

un caudal de 28.32 m 3 /h y posee una concentración inicial de 25 g/l.

Despreciando la concentración de sólidos en el líquido clarificado, diseñar los

sedimentadores contínuos que cumplan los objetivos señalados calculando sus áreas,

diámetros y alturas considerando que el tiempo de residencia de la disolución en cada

sedimentador es de 3 h. si las concentraciones de sólido en la disolución a extraer son de

70, 100 y 150 g/l respectivamente.

a) Cálculo del área de un sedimentador.

Se puede calcular mediante el siguiente procedimiento:

1. Se lleva a cabo un experimento de sedimentación por cargas. A partir de los datos

obtenidos se obtiene la curva de flujo jSF / (1­ε).

2. Se fija sobre dicha curva el valor (1­ε)0.

Si se trata de una sedimentación tipo I se une dicho punto con el situado en el eje

de abcisas correspondiente a la concentración (1­ε)D deseado. La ordenada en el origen

nos dará el valor jS.

Si se trata de una sedimentación tipo II o III, se traza la tangente a la curva desde

(1­ε)D obteniéndose el valor de jS.

3. Conocidos Q0 y (1­ε)0 de la suspensión inicial, y calculado jS en el paso anterior, se

calcula el área a partir de la ecuación 16.

b) Cálculo de la altura de un sedimentador.

Para calcular la altura del sedimentador, se utiliza la ecuación [22]: para ello

debe resolverse de forma numérica la integral que aparece en ella a partir de la gráfica

que representa ε/(1­ε) vs t. A la altura calculada del sedimentador deberá sumársele la

corrección de altura mencionada anteriormente.

) ( 2 1 h h h h S T + + =

c) Cálculo del volumen del sedimentador.

Una vez calculadas el área y altura total del sedimentador puede calcularse el

volumen del mismo a partir de la siguiente ecuación:

VS = Ssed. (hS + h1 + h2) [23]

PRÁCTICA 3

Eficacia de aireadores

T OD

T Pot

agitador soplante

T OD

T Pot

agitador soplante

1. OBJETIVOS

El objetivo de esta práctica consiste en evaluar la capacidad de aireación y la eficacia en la transferencia de oxígeno de los tipos de aireadores más comúnmente utilizados: difusores de burbuja fina, difusores de burbuja gruesa, aireadores superficiales, aireadores sumergidos y aireadores de chorro.

Así mismo, para cada uno de estos aireadores se estudiarán los distintos factores de los que dependen y las características de cada uno de los equipos a escala planta piloto.

2. INTRODUCCIÓN

Los dispositivos utilizados en la adición de oxígeno a un fango activado se denominan aireadores. Estos equipamientos tienen por objetivo conseguir una elevada superficie de contacto entre el fango y el aire, de forma que se favorezca la transferencia de oxígeno desde el aire al medio acuoso.

Básicamente, este objetivo se puede conseguir de dos formas diferentes:

• Por burbujeo • Por lanzamiento del fango activado en forma de gotas o de porciones mayores

al aire

Por otra parte, los equipos de aireación se pueden clasificar en:

• Equipos de aireación difundida ­ Difusores de burbuja ­ Difusores de chorro

• Equipos de aireación superficial • Equipos de aireación de turbina sumergida

En esta práctica vamos a estudiar sólo los equipos de aireación más comúnmente utilizados en planta.

2.1. Aireadores superficiales

Son dispositivos en los que los fangos se agitan enérgicamente consiguiéndose que:

­ parte del líquido se proyecte fuera de la superficie del mismo ­ parte del aire entre en el interior del fango como consecuencia de la depresión

que se forma en el mismo

Un ejemplo de los mismos se muestra en la figura 1.

Consta de paletas y un rotor que es impulsado mediante un motor conectado a un engranaje reductor de velocidades. El rotor se puede fabricar en acero, hierro colado, aleaciones resistentes a la corrosión y plástico reforzado con fibra de vidrio. Pueden ser tanto de eje vertical como horizontal, y por lo general se encuentra sobre una plataforma

fijada mediante pilares sobre el fondo del tanque o bien sobre las paredes laterales del mismo. En algunos casos se puede encontrar sobre soportes flotantes. En la figura 1 aparece un aireador superficial de eje vertical y uno de eje horizontal. Se utilizan para potencias de aireación en el intervalo de 1 a 100 C.V. Tiene como problemas los derivados de la formación de hielos en climas fríos.

Figura 1. Aireadores superficiales

2.2. Difusores

Son dispositivos que consiguen la transferencia de aire mediante la producción de una gran cantidad de burbujas, generadas como consecuencia de hacer pasar aire a presión (mediante un compresor o soplante) a través de medios porosos o a través de toberas especiales. En general estos equipos tienen un alto coste inicial.

Se pueden clasificar en función del tamaño de burbuja en:

­ difusores de burbuja fina ­ difusores de burbuja gruesa

Los difusores de burbuja fina (figura 2) proporcionan un buen contacto aire­agua posibilitando elevadas transferencias de oxígeno. Se diseñan de forma que el diámetro de las burbujas sea de entre 2 y 2.5 mm y que el caudal de aire diseño sea de 2 a 7 L/s en condiciones estándar.

Figura 2. Difusores de burbuja fina

Las disposiciones más frecuentes son en forma de tubo o de placa y se pueden construir en diversos materiales:

• cerámicos, en los que granos de material cerámico se compactan y unen por medio de un mastic

• de cubierta textil en los cuales tubos perforados son recubiertos por una funda de tejido poroso y a la vez resistente

• de membrana elástica

Es necesario para todos los casos el diseño de filtros de aire.

Por su parte, los difusores de burbuja gruesa (figura 3) son toberas especiales en cuya salida se forman las burbujas. Como el tamaño de burbuja es superior al suministrado por los difusores de burbuja fina, la superficie de contacto aire/agua es inferior y por tanto la transferencia de oxígeno al líquido disminuye.

Figura 3. Difusores de burbuja gruesa

Sin embargo, estos difusores presentan menos problemas operativos que los de burbuja fina ya que:

• presentan menos atascos • no es necesaria la instalación de filtros de aire

2.3. Aireadores de turbina sumergida

Son sistemas que tienen características tanto de agitadores como de difusores. Un esquema se muestra en la figura 4, donde se observa que una turbina crea una depresión en el fango favoreciendo de este modo la captación del oxígeno procedente del aire y que, simultáneamente, dispersa el aire que se introduce hasta ella a través de una tobera o tubo perforado.

En el caso de pequeñas necesidades de oxígeno, la simple agitación del motor de la turbina genera la succión necesaria en la tobera para introducir aire al sistema. En caso contrario, y al igual que ocurre con los difusores, el aire se tiene que aportar mediante compresores o soplantes.

Figura 4. Turbinas sumergidas

Estos equipos tienen una eficiencia en la transferencia de oxígeno moderada y unos grandes requisitos de mantenimiento.

2.4. Aireadores de chorro

Son sistemas en los que el aire comprimido y el líquido bombeado se entremezclan violentamente en su boquilla, descargándose a continuación al tanque. Básicamente, este mecanismo de dispersión hidráulica consiste en una sección Venturi, en la que el fango es bombeado a una presión de entre 1.75 y 2.10 Kg/cm 2 , arrastrando al aire con el que se está mezclando. Este aire aspirado puede estar a presión atmosférica o bien a una presión superior si se utiliza, con esta finalidad, un compresor. En la figura 5 aparece un esquema de este tipo de aireadores.

Tienen una elevada eficiencia en la transferencia de oxígeno y una gran capacidad de mezclado, lo que los hace adecuados para tanques profundos. Su gran inconveniente es la facilidad con la que se atascan.

Figura 5. Aireadores de chorro

2.5. Cálculo de sistemas de aireación

Como se ha comentado con anterioridad, la aireación es la operación más cara del proceso biológico de tratamiento de aguas residuales. El cálculo de la potencia de aireación necesaria para conseguir la aireación de un determinado sistema dependerá del tipo de equipo y de las características que tenga el mismo. Estas deberán ser suministradas por el fabricante, dándose en este apartado las definiciones correspondientes a los principales parámetros con influencia en el cálculo.

2.5.1. Capacidad de oxigenación de un aireador

Se define la capacidad de oxigenación estándar (COE) como la velocidad de un aireador en la transferencia de oxígeno, medida en condiciones estándar (20ºC y 1atm.), sobre agua limpia con concentración inicial de oxígeno 0.

V C ) a k ( . E . O . C s 20 L ⋅ ⋅ ⋅ = (1)

donde:

KLa coeficiente de transferencia de materia cs concentración de saturación del oxígeno (mg/L) V volumen del reactor (L)

Esta magnitud está relacionada con la capacidad de oxigenación real (C.O.R.), o velocidad de transferencia de oxígeno real, por medio de unas relaciones que dependen del tipo de equipamiento.

• equipos de aireación sumergidos

) 20 T (

s

0 *

sc

C C C COE COR − θ ⋅

− ⋅ β⋅ ⋅ α = (2)

• equipos de aireación superficial

) 20 T (

s

0 sc

C C C COE COR − θ ⋅

− ⋅ β⋅ ⋅ α = (3)

donde

α velocidad relativa de transferencia de oxígeno referida al agua limpia. Valores típicos están entre 0.68 y 0.94

β concentración relativa de saturación referida al agua limpia. Normalmente varía entre 0.8 y 1.0. Para aguas residuales urbanas típicas se puede adoptar un valor de 1.0

θ constante de corrección de la temperatura. Valor típico 1.024 Cs concentración de saturación del oxígeno en condiciones estándar (9.08 mg/L) Csw concentración de saturación de oxígeno a las condiciones de P y T de la

superficie del reactor biológico. (tablas) Csc

* mismo parámetro que Csw a la presión debida a la profundidad del tanque Co concentración de oxígeno que se desea mantener en el reactor biológico T Temperatura del líquido (T condiciones estándar 20ºC)

2.5.2. Eficacia en la transferencia de oxígeno de un aireador

Es la cantidad de oxígeno transferido por unidad de potencia del aireador. Al igual que la capacidad de aireación se puede referir a condiciones estándar o a reales, quedando definidas ambas magnitudes por las ecuaciones:

N COE P requerida

0 = (4)

N COR P requerida

= (5)

Este parámetro también puede ser definido en función del cociente entre la cantidad de oxígeno introducida y la realmente transferida según la ecuación:

E O transferido O roducido

= 2

2 int (6)

Valores típicos de transferencia de oxígeno en distintos equipos de aireación se muestran en tabla 1.

Tabla 1. Valores típicos eficiencia en diferentes equipos Tipo de equipamiento Eficiencia (lb O2/CV h) Difusores de burbuja fina 2.3­2.5 Difusores de burbuja gruesa 1.3­2.0 Difusores de burbuja media 1.5­2.0 aireadores superficiales (baja velocidad) 1.8­2.5 aireadores superficiales (alta velocidad) 1.2 aireadores de chorro 1.8­2.1 turbinas sumergidas 1.3­2.1

3. Montaje experimental

El montaje en el que se va a realizar esta práctica consiste en un reactor de mezcla

completa, que contiene fangos activados y operará en modo discontinuo de

funcionamiento. Un esquema del mismo se muestra en la figura 6

T OD

T Pot

agitador soplante

T OD

T Pot

agitador soplante

Figura 6. Esquema del montaje experimental

Como se observa consta de un tanque donde están conectados los distintos dispositivos de aireación que van a ser estudiados y de dos regletas de enchufes. Una de ellas está puenteada de forma que se pueda medir indirectamente la potencia consumida por los aparatos que están conectados en ella.

En este montaje la medida del oxígeno disuelto y de la temperatura se realiza por medio de un oxímetro. Por su parte la medida de la potencia consumida se realiza por medio de un voltímetro que mide la caída de voltaje en una resistencia de 1.2 Ω. De esta forma, la potencia consumida por los distintos aparatos conectados a la regleta se puede expresar como:

2 . 1 ) voltios ( V 220 ) watios ( P

⋅ = (7)

Los aireadores que se han dispuesto junto con los elementos que se utilizan en cada uno se muestran en la tabla 2.

Tabla 2. Aireadores utilizados en esta práctica

Aireador Constituyentes Superficial Agitador

Difusor burbuja fina Compresor + 2 placas de porcelana porosa Difusor burbuja gruesa Compresor + tubos salida

De chorro Bomba + eyector + (compresor) Sumergido Agitador + (bomba + tubos de salida)

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En esta práctica se van a determinar las capacidades de aireación de distintos aireadores y se van a comparar entre si.

Para el cálculo correcto de la COR se requerirían grandes cantidades de agua con baja concentración de oxígeno disuelto y vaciar el reactor una vez que se hubiese probado esta agua con cada uno de los aireadores, ya que no existe una forma sencilla de bajar la concentración de oxígeno disuelto.

Para evitar estos problemas se ha decidido introducir fango biológico en el reactor. De esta forma, y como consecuencia del metabolismo endógeno de los microorganismos, la concentración de O.D. tiende a bajar con el tiempo, siendo la velocidad de consumo de oxígeno constante en el período de tiempo (4 horas) en el que se va a realizar la práctica.

Por este motivo, para calcular la COR real, se realizará la misma experimentación que se haría con agua sin microorganismos y se corregirá el efecto del consumo de oxígeno por parte de los microorganismos.

Parte 1. Cálculo del consumo de oxígeno de los microorganismos.

Se airea el cultivo biológico a saturación y una vez en ese punto se eliminan los sistemas de aireación, dejando únicamente un sistema de agitación que no favorezca la entrada de oxigeno en el sistema. Se registra cada 15 s la concentración de O.D. hasta llegar a una concentración de ≈ 2 mg/L. El balance de oxígeno disuelto a este sistema resulta en:

e O TAO dt

dC 2 = (8)

Dado que la velocidad de consumo de oxígeno es constante, la representación gráfica de

la concentración de oxígeno disuelto frente al tiempo resulta en una línea recta, cuya

pendiente es el consumo de oxigeno (mg/(L∙s)) debido al metabolismo endógeno. A este

valor en adelante lo denotaremos como TAOe (tasa de adsorción de oxígeno endógena).

Parte 2. Capacidad de oxigenación real y eficacia de aireadores superficiales.

Se deja sin airear al cultivo biológico hasta que alcance una concentración de oxígeno disuelto de 1 ppm. En este momento se introduce aire mediante agitación, utilizando las paletas de hélice, colocadas en contacto con la superficie, y con una velocidad de 330 rpm (tanto el compresor como la bomba se desconectan y en la regleta de enchufes de medida sólo está conectado el agitador). Se registra la concentración de oxígeno disuelto cada 15s, durante un tiempo de 5 minutos. Así mismo se mide la potencia consumida por el sistema.

La representación de la concentración de O.D. frente al tiempo resultará en una curva de saturación. Para determinar la C.O.R., hay que eliminar el efecto del cultivo biológico en el consumo de oxígeno. Para esto se utiliza el término TAOe calculado en la parte 1 de la práctica. De esta forma, el balance de materia a un reactor discontinuo resulta en:

( ) e O * O L

O TAO C C V a K dt

dC 2 2

2 + − ⋅ ⋅ = (9)

Para calcular el valor del parámetro KLa de la expresión (9) se resolverá la ecuación diferencial numéricamente para un valor supuesto de KLa y posteriormente se modificará este valor de forma que la ecuación ajuste los datos experimentales. Por sencillez se recomienda resolver numéricamente la ecuación en una hoja de cálculo y aplicar el método de los mínimos cuadrados (asistidos por el optimizador de la hoja de cálculo) para realizar el ajuste.

De esta expresión se puede obtener el valor de KLa y con este valor se puede calcular la COR por medio de

s L C V ) a k ( . R . O . C ⋅ ⋅ ⋅ = (10)

Se repetirá el experimento y el cálculo de KLa, una vez que la concentración de oxígeno disuelto haya bajado hasta 1 mg/L con una velocidad de agitación de 800 rpm y con una velocidad de 1300 rpm, calculando en cada caso las COR correspondientes.

Una vez finalizados estos dos experimentos, se repite el correspondiente a 1300 rpm, situando la hélice a 2 cm debajo de la superficie y a 4 cm y registrando los mismos resultados que en los experimentos anteriores.

Con los valores de la capacidad de oxigenación real (ecuación 10) y de la potencia (ecuación 7) se calculan las eficacias del aireador superficial (cociente entre ambas) para los distintos casos ensayados. Observar los efectos de este tipo de aireador en la mezcla de los fangos.

Parte III: Capacidad de oxigenación real y eficacia de difusores de burbuja fina.

Al igual que en la parte II de la práctica se deja disminuir la concentración de O.D. hasta 1.0 mg/L. En ese momento se conecta la aireación de uno de los difusores y se calcula la COR. Posteriormente se repite el experimento con los dos difusores funcionando. En ambos casos se registra la potencia consumida. Todos los cálculos se realizan de la misma forma que en la parte II. No se conectan ni el agitador ni el sistema de bombeo en ningún momento. Observar los efectos de este tipo de aireador en la mezcla de los fangos

Parte IV: Capacidad de oxigenación real y eficacia de difusores de burbuja gruesa.

Se mide la COR y la P cuando se utiliza una sola tobera y cuando se utilizan las dos. No se conectan ni agitador ni bombas a no ser que no se consiga una buena mezcla

Parte V: Capacidad de oxigenación real y eficacia de mezcladores de chorro

Se mide COR y la P utilizando sólo la bomba y el eyector conectado. Se repite el experimento aportando aire con el compresor. No conectar agitador a no se que no se consiga una buena mezcla.

Parte VI: Capacidad de oxigenación real y eficacia de aireadores sumergida

Se mide COR y la P utilizando el agitador con la hélice sumergida unos 8 cm y con una velocidad de agitación de 1650 rpm. Se repite el experimento utilizando un difusor de burbuja gruesa.

5. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS

Se han de mostrar los cálculos gráficos realizados para determinar las distintas COR’ y la TAOe y tabular para cada aireador los valores de COR y N. Realizar una discusión detallada en base a los resultados obtenidos de las ventajas e inconvenientes que presentan cada uno de los aireadores estudiados.