CARACTERIZACIÓN DE UN CONTACTOR DE GAS-LIQUIDO MEDIANTE EL COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE TRANSFERENCIA DE MASA A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIÓN

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1 CARACTERIZACIÓN DE UN CONTACTOR DE GAS-LIQUIDO MEDIANTE EL COEFICIENTE VOLUMÉTRICO DE TRANSFERENCIA DE MASA A DIFERENTES CONDICIONES DE OPERACIÓN Ramírez Cortina C. R. 1, Alonso Gutierrez M.S. 2, Bruno Esparza R. 1 y Rodríguez Lepure A. L. 1 1 Universidad Autónoma Metropolitana Azc. San Pablo No. 180, Col. Reynosa Tamaulipas, Delegación Azcapotzalco 02200, México, D. F., México. Tel , Fax crrc@correo.azc.uam.mx 2 Institut National Polytechnique, ENSCT, Laboratoire de Chimie Agro-Industrielle, 118 Route de Narbonne, Toulouse, France. RESUMEN En este estudio se analiza la transferencia de oxígeno en agua para un reactor de columna a escala de laboratorio, equipado con un burbujeador y un vénturi como sistemas de alimentación de aire. Para tal efecto se determinó el coeficiente volumétrico de transferencia de masa K L a para el oxígeno. Las variables estudiadas fueron: el caudal de aire, la influencia de la recirculación, la aplicación del aire mediante el burbujeador, la aplicación del aire a través del vénturi, y la combinación de ambos sistemas. Los resultados muestran que la transferencia de oxígeno para un mismo caudal de aire es mejor mediante el vénturi que con el burbujeador. El efecto de la recirculación aumenta la transferencia del oxígeno y en este caso, el burbujeador con recirculación es más eficiente que el vénturi. Los mejores resultados se obtuvieron con la combinación de de las tres condiciones de aireación. INTRODUCCIÓN La transferencia de gases es un proceso importante en el tratamiento de agua, en el caso de las aguas residuales que pueden ser tratadas mediante lodos activados, filtros biológicos y digestión aerobia, la eficiencia depende de la disponibilidad de cantidades suficientes de oxígeno. La teoría más utilizada para explicar el mecanismo de transferencia de masa en el intercambio gas-líquido es la teoría de la doble capa, el modelo se basa en la existencia de dos capas, una de líquido y otra de gas en la interfase gas-líquido. Ambas capas dan una resistencia al paso de moléculas de gas entre las fases líquida y gaseosa. En la transferencia de moléculas de gas de la fase gaseosa a la líquida, los gases ligeramente solubles encuentran la resistencia principal a la transferencia en la capa líquida, en tanto que los gases muy solubles hallan dicha resistencia en la capa gaseosa. Los gases de solubilidad intermedia hallan una importante resistencia en ambas capas. La figura 1 muestra un esquema de las dos capas. La tasa de transferencia del gas es, en general, proporcional a la diferencia entre la concentración existente y la concentración de saturación del gas en la solución. En forma de ecuación, la relación puede expresarse como:

2 dc/dt = K L a (Cs C) (1) siendo: C = concentración del gas a un tiempo t (mg/l) t = tiempo (s) Cs = concentración de saturación del gas (mg/l) K L a = coeficiente de transferencia volumétrico (s -1 ) K L a incluye, en este caso, el efecto de la resistencia de una y otra capa, y es también función del área de la interfase gas-líquido que existe por volumen unitario de fluido. P Presión parcial o concentración Fase gaseosa Pi Inter.fase Ci Fase líquida C Capa de gas Capa de líquido Distancia Figura 1. Esquema de la teoría de la doble capa para la transferencia de gases La concentración de equilibrio del gas disuelto en un líquido es función de la presión parcial del gas en contacto con el líquido. Esta relación viene dada por la ley de Henry: Pg = H Xg (2) Siendo: Pg = presión parcial del gas en atmósferas H = constante de la Ley de Henry, está en función de la temperatura y naturaleza del sistema. Xg = fracción molar de equilibrio del gas disuelto en la fase líquida,

3 El oxígeno es relativamente poco soluble en el agua por lo cual es necesario aumentar la interfase agua-aire. En los procesos de tratamiento de agua la aireación se logra casi siempre con burbujas de aire que se dispersan en el líquido desde el fondo de los tanques de contacto de 3 a 4 metros de profundidad. Los dispositivos de aireación más utilizados son tubos y placas porosas, tuberías perforadas y difusores plásticos o metálicos de diversas formas y tamaños, También se emplean dispositivos basados en la formación de esfuerzos cortantes para crear pequeñas burbujas haciendo que un flujo de líquido choque en un orificio de modo que las burbujas de aire se rompan en otras de menor tamaño. Los aireadores mecánicos consisten, por lo general, en turbinas de alta velocidad que funcionan en la superficie del líquido, parcialmente sumergidas. Se diseñan de forma que mezclen íntimamente y recirculen grandes volúmenes de agua y aire. Para una cantidad dada de aire introducida en un líquido, la superficie disponible por la que puede tener lugar la transferencia de gas aumenta a medida que el tamaño de burbujas disminuye. La transferencia efectiva de gas depende también de la agitación del agua. La turbulencia reduce el espesor de la capa líquida y disminuye la resistencia a la transferencia y a la dispersión del gas disuelto una vez que haya tenido lugar la transferencia. Las burbujas de aire tienen un efecto ascensional debido al arrastre viscoso y favorecen la turbulencia y circulación del líquido, conforme suben las burbujas de aire tienden a aumentar de tamaño debido a la reducción de presión y coalescencia. Para un volumen dado de agua, los aireadores se calculan en base a la cantidad de oxígeno transferido por unidad de aire introducido en el agua en condiciones equivalentes de presión, temperatura y naturaleza del agua. Los objetivos de este estudio son analizar la transferencia de oxígeno en agua para un reactor de columna, alimentando el aire con un difusor de burbujas de un centímetro de diámetro y compararlo con la aireación a través de un vénturi, tomando en cuenta el efecto de la recirculación del agua. METODOLOGÍA Se usó un reactor de columna con un volumen de 50 L, la aireación se hizo a través de un difusor y de un vénturi como se muestran en la figura 2. Las condiciones de operación del reactor fueron las siguientes: presión atmosférica, temperatura ambiente de 21 C, el caudal de aire se varió entre 0.2 y 0.5 pies 3 /min (SCFM). La recirculación del agua se realizó con una bomba de 45 L/min a caudal constante. El flujo de aire a través del vénturi fue de 0.43 SCFM de manera constante mientras se operaba la bomba. La determinación del coeficiente volumétrico de oxígeno (K L a) en cada prueba se hizo mediante el análisis de oxígeno con un oxímetro modelo YSI 50B. Las variables estudiadas fueron: el caudal de aire, la influencia de la recirculación, la aplicación del aire mediante el burbujeador, la aplicación del aire a través del vénturi, y la combinación de ambos sistemas.

4 En cada prueba se usó agua destilada, al inicio de la prueba se reduce a cero la concentración de oxígeno disuelto con sulfito de sodio y cloruro de cobalto como catalizador, al iniciar la aireación se mide la concentración de oxígeno a intervalos de tiempo conocidos. La K L a se calcula utilizando la solución de la ecuación 1, el procedimiento consiste en graficar los valores de Ln(Cs-C) contra el tiempo y calcular la pendiente que representa el valor de -K L a. COLUMNA DIÁMETRO: 0.20 m ALTURA: 1.80 m VOLUMEN UTILIZADO: 50 L VENTURI REACTOR G/L AIRE BOMBA ALIMENTACIÓN DE AGUA AIRE DIFUSOR HACIA EL DRENAJE Figura 2. Reactor de columna para transferencia de gas-líquido equipado con burbujeador y vénturi.

5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las determinaciones del coeficiente volumétrico de transferencia de oxígeno para el reactor a diferentes condiciones de operación, se hicieron en el siguiente orden: 1) Pruebas con el burbujeador a diferentes caudales de aire. a. Sin recirculación de agua o volumen estático. b. Con recirculación. 2) Pruebas con burbujeador y vénturi. 3) Pruebas con alimentación del aire a través del vénturi únicamente. En la gráfica 1 se presenta un ejemplo del cálculo de los valores de K L a, en el caso de aireación con el burbujeador para un caudal de aire de 0.5 SCFM, en el cual el valor promedio de K L a es de s -1. El mismo procedimiento se sigue para cada prueba, los valores promedio de K L a en h -1 se muestran en la tabla 1 para cada una de las condiciones de operación. Grafica 1. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE OXÍGENO (KLa) CON BURBUJEADOR, Qg (aire) = 0.5 SCFM LN(1-P/100) y = x - 5E-16 Kla = TIEMPO [s] PRUEBA 1 PRUEBA 2 PRUEBA 3 PROMEDIO Los resultados de la tabla 1 nos muestran que efecto de la recirculación del agua aumenta la transferencia de oxígeno en forma relativamente constante, con valores que van de a de en cada prueba, la recirculación es más importante cuando se aplica el caudal de aire más bajo.

6 Tabla 1. RESULTADOS DEL COEFICIENTE K L a DEL OXÍGENO CON BURBUJEADOR. (1) Qg AIRE (SCFM) (2) BURBUJEADOR SIN RECIRC. (3) BURBUJEADOR CON RECIRC. (4) AUMENTO DE [(3)-(2)] Cuando se opera el reactor con el burbujeador y el vénturi los valores de K L a aumentan también de forma constante, en este caso el vénturi aporta una cantidad extra de aire que está en función del caudal de la bomba de recirculación. En esta prueba el caudal del aire que entra al vénturi es de 0.43 SCFM y las pruebas de transferencia de oxígeno con aireación únicamente a través del vénturi, dan un valor de K L a de 50.4 h -1. Los resultados se muestran en la tabla 2. Tabla 2. RESULTADOS DEL COEFICIENTE K L a DEL OXÍGENO CON BURBUJEADOR Y VÉNTURI. Qg AIRE (SCFM) BURBUJEADOR Y VÉNTURI CON RECIRC VÉNTURI CON RECIRC Qg = 0.43 SCFM en función del caudal de la bomba. En la gráfica 2 se presentan los valores de K L a en función del caudal de aire para cada modo de operación, como se observa, la transferencia de oxígeno más baja corresponde a la aireación con el burbujeador manteniendo el líquido estático. La transferencia de oxígeno para el caso anterior se aumenta con la recirculación. Los valores más altos de K L a se logran cuando se combinan las tres situaciones, la aireación con el burbujeador y el vénturi incluyendo la recirculación.

7 Grafica 2. EFECTIVIDAD DE LOS DIFERENTES TIPOS DE AIREACIÓN PARA LA TRANSFERENCIA DE OXÍGENO (K L a) KLa CAUDALDEAIRE[SCFM] DIFUSOR C/RECIRC. DIFUSOR Y VENTURI DIFUSOR S/RECIRC. La transferencia de oxígeno que se tiene a través del vénturi la podemos comparar con la del burbujeador para un caudal de 0.43 SCFM, y se tiene para el vénturi una K L a de 50.4 h -1 mientras que el burbujeador sin recirculación tiene una K L a de 46.8 h -1, De esto se deduce que la transferencia de oxígeno para un mismo caudal de aire es mejor mediante el vénturi que con el burbujeador. El efecto de la recirculación aumenta la transferencia del oxígeno y en este caso el burbujeador con recirculación es más eficiente que el vénturi, con una K L a de 61.2 h -1, para un caudal de 0.43 SCFM. Los mejores resultados se tienen cuando se combinan las tres condiciones: burbujeador, vénturi y recirculación, en este caso se tienen dos entradas de aire y la K L a aumenta considerablemente. CONCLUSION De acuerdo a los resultados obtenidos en este estudio podemos concluir que para un mismo caudal de aire la eficiencia de transferencia de oxígeno mediante el burbujeador se mejora con la recirculación y con la aireación a través del vénturi. Es decir que podemos utilizar este dispositivo para mejorar la oxigenación de sistemas que ya cuentan con difusores.

8 AGRADECIMIENTOS Este trabajo contó con el apoyo de CONACYT a través del Proyecto de Instalación No. I30131T. BIBLIOGRAFÍA Metcalf Eddy, (1981). Tratamiento y depuración de las aguas residuales, Editorial Labor, S.A., España. Standard Methods For the Examination of Water and Wastewater, (1980) 15 th Edition, APHA, AWWA, WPCF. Treybal Robert E. (1980). Mass Transfer Operations, Mc.Graw Hill, N. Y. Welty, James R. (1999). Fundamentos de transferencia de Momento, Calor y Masa. Editorial Limusa, México.