DISEÑO DE UN SENSOR DE LA FRACCIÓN DE GAS

XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental
I-158 - DISEÑO DE UN SENSOR DE LA FRACCIÓN DE GAS RETENIDO Y
SU APLICACIÓN EN UN REACTOR DE 2850 m3 USADO EN EL
TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Sergio García Salas(1)
Ingeniero Bioquímico de la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del Instituto
Politécnico Nacional (IPN). Maestro en Ciencias en Bioingeniería del Centro de
Investigaciones y Estudios Avanzados del IPN. Profesor Titular en el Departamento de
Bioingeniería de la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología del IPN.
Estancia Doctoral en el Centro de Investigación y Estudios Avanzados del IPN.
Calixto Ortega Moreno
Ingeniero Químico Industrial de la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias
Extractivas. Auxiliar de Investigación del Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados
del IPN.
Juan Sánchez Labrada
Ingeniero en Electrónica de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Auxiliar de
Investigación del Centro de Investigaciones y Estudios Avanzados del IPN.
Dirección(1): Av. Ticomán s/n. La Laguna-Ticomán. Gustavo A. Madero - México - D.F. - Tel: (0052) 57 29 60 00
ext. 56305 - e-mail: [email protected]
RESUMEN
La fracción de gas retenido de una dispersión gas-líquido es un parámetro importante en los procesos
aerobios, porque junto con el diámetro de las burbujas, determina el área interfacial específica, entre las fases
gaseosa y líquida, y por lo tanto también influye directamente sobre la velocidad de transferencia de oxígeno.
Si la fracción de gas retenido es baja, la velocidad de degradación aerobia de contaminantes disminuirá. Por
otro lado, una fracción de gas retenido alta debe evitarse porque disminuye el volumen útil del reactor. La
fracción de gas retenido no puede ser calculada a partir de correlaciones empíricas, por lo que debe ser
medida con exactitud y precisión en cada reactor de contacto gas-líquido. En reactores aerobios de gran
volumen, existen inhomogeneidades debido a que los sistemas de agitación no provocan el mismo grado de
turbulencia en toda la dispersión gas-líquido; además, la freacción de gas retenido es muy sensible a cambios
en la coalescencia del líquido. Es por eso que en este trabajo se diseñó un sensor de la fracción de gas
retenido, para medir ese parámetro en varias zonas de un reactor de 2850 m3 utilizado en el tratamiento de
aguas residuales municipales. El sensor basa su funcionamiento en un transductor de presión diferencial. El
sensor una vez diseñado y construido se probó en una columna de burbujas en la que se comprobó que existe
una relación lineal entre la diferencia de presión y el voltaje de salida de dicho transductor. Al utilizar el
sensor de fracción de gas retenido en el reactor de 2850 m3, encontramos que en la zona donde solo existe un
dispersor de aire, la fracción de gas retenido fue de 6.3%, mientras que en las zonas cercanas a los
agitadores se alcanzaron valores de 5.6%.
PALABRAS-CLAVE: Fracción de Gas Retenido, Sensor de Presión Diferencial, Área Interfacial Específica,
Transferencia de Oxígeno, Aguas Residuales.
INTRODUCCIÓN
En los procesos aerobios de tratamiento de aguas residuales, los microorganismos consumen el oxígeno que
se transfiere a partir de las burbujas de aire al líquido. La fracción de gas retenido es la relación del volumen
de las burbujas de aire con respecto al volumen de la dispersión aire-líquido (Hofmeester, 1998). Para un
diseño de reactor, propiedades físicas del agua y condiciones de operación determinadas, la fracción de gas
retenido y el tamaño de las burbujas determinan la transferencia de oxígeno desde el aire a la fase líquida
(Winkler, 1990).
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Lo que es fácil de controlar es el diseño del reactor y las condiciones de operación del mismo. Sin embargo,
las propiedades físicas del agua cambian en función de la naturaleza del influente y su contenido de grasas y
detergentes. Una propiedad que es resultante de la composición del agua residual, es su grado de
coalescencia.
La coalescencia es un fenómeno que consiste en favorecer la unión de burbujas para formar solo una.
Consecuentemente, el área interfacial específica disminuye. Aunque de acuerdo a la composición química de
la mayoría de las aguas residuales en cuanto a su relativamente alto contenido de sales, se espera que dichas
aguas posean características no coalescentes. Sin embargo, en reactores de gran tamaño, existen diferentes
grados de turbulencia que pueden provocar que la fracción de gas retenido en varias zonas del reactor sea
diferente (Frohlich y col., 1991).
Métodos para estimar la fracción de gas retenido:
a.- Para conocer la fracción de gas retenido global en un reactor se tiene que medir el volumen de gas y de
líquido en toda la dispersión. El volumen de gas es la diferencia entre el volumen medido de la dispersión
gas-líquido y el volumen del líquido. El volumen total de la dispersión se puede conocer midiendo el nivel de
la dispersión, usando una escala sobre la pared del bioreactor o sensores capacitivos. El volumen de líquido
se puede conocer midiendo la diferencia de presión entre el fondo y la parte superior del bioreactor o
midiendo la altura del líquido antes de airearlo.
b.- La fracción de gas retenido local se puede determinar empleando varios métodos. Sin embargo, no todos
pueden usarse en reactores biológicos. Los métodos utilizados incluyen mediciones de: la diferencia de
presión estática entre dos puntos situados a una distancia vertical conocida (García y Flores, 1995); del
tiempo de contacto de un sensor de conductividad eléctrica con las burbujas y el tiempo total de medición
(Frohlich y col., 1991); y de la capacidad de la fase gaseosa y líquida de absorber radiaciones de manera
diferente (Hofmeester, 1988).
Por todo lo anterior, el objetivo de este trabajo fue diseñar un sensor de la fracción de gas retenido y aplicarlo
en varias zonas de reactores de gran tamaño, incluyendo uno de 2850 m3.
MATERIALES Y MÉTODOS
El diseño del sensor incluyó determinar las especificaciones, sus dimensiones y geometría de todas sus partes.
El sensor de fracción de gas retenido fue construido empleando un transductor de presión diferencial, de la
serie MPX2010DP de Motorola. El funcionamiento del sensor se basa en medir la diferencia de presión entre
dos puntos separados verticalmente entre sí a una distancia de 1.5 m. La diferencia de presión es medida por
un transductor de presión que genera señales de 0 a 20 mV, para una escala de diferencia de presión de 0 a
10 kPa, con una exactitud de 0.01 kPa en la escala completa. También se diseño y construyó un amplificador
para poder amplificar las señales en el orden de 0 a 2000 mV.
El sensor tiene dos tomas de presión estática, una de alta y otra de baja presión, separadas una distancia
vertical de 1.5 m. La diferencia de presión registrada por el sensor se denota por (p2-p1) en la ecuación (1),
que es con la que determinamos la fracción de gas retenido en la zona correspondiente.
ε=
ρ L gdz − ( p 2 − p1 )
( ρ L − ρ G ) gdz
ecuación (1)
Donde:
ε:
fracción de gas retenido
ρL, ρG: densidad del líquido, densidad del aire
g:
constante de gravedad
dz:
distancia vertical entre las tomas de alta y baja presión
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Prueba del sensor. El sensor se probó en una columna de burbujas de 3.5 L, que tiene un diámetro de 0.05 m
y una altura de 1.8 m, equipada con un disco dispersor de poro fino. La prueba se hizo empleando una
dispersión de aire en agua de la llave.
Aplicación del sensor en el reactor de 2850 m3. Consistió en medir la fracción de gas retenido en las zonas
previamente elegidas del reactor, con base en el grado de turbulencia existente.
Para corroborar los resultados obtenidos con el sensor de fracción de gas retenido diseñado, también
aplicamos el método para medir la fracción de gas retenido global en la columna de burbujas mencionada
anteriormente, con la que simplemente medimos el volumen total de líquido sin tener aireación y el volumen
total de la dispersión aire-líquido. Al aplicar el sensor, medimos la diferencia de presión entre el fondo del
reactor y la superficie del liquido. De esta manera, la fraccción de gas retenido “local” obtenida con el sensor,
debe corresponder con fracción de gas retenido global. Las mediciones se hicieron por triplicado.
RESULTADOS
En la tabla 1 se muestra la comparación de los valores de fracción de gas retenido obtenidos usando el sensor
que diseñamos y los de la fracción de gas retenido global. Dichos valores deben ser iguales porque en la
columna de burbujas, se colocaron las tomas de alta y baja presión de tal manera que abarcaron la altura total
de la dispersión aire-líquido. La diferencia entre cada par de datos no es mayor del 3.5%. Estos resultados
suguieren que podemos usar nuestro sensor, esperando un error en las mediciones no mayor de 3.5%, además
este porcentaje es un valor que no se considera muy alto. Cada dato es el promedio de 3 mediciones.
Por otro lado, el tiempo en que se realizan las mediciones es mucho muy rápido, se podría decir que es
automático. Esta característica es muy útil porque se pueden hacer muchas mediciones en muy poco tiempo.
Tabla 1: Comparación de la fracción de gas retenido en una columna de burbujas de 3.5 L.
fracción de gas retenido “local”, fracción de gas retenido global
diferencia
obtenida con el sensor (%)
(%)
(%)
3.0
3.1
3.2
6.0
6.2
3.2
9.0
8.8
2.2
12.0
12.3
2.4
15.0
14.6
2.6
18.0
17.5
2.7
21.0
20.4
2.9
Con el sensor probado, procedimos a medir la fracción de gas retenido en un reactor de 2850 m3, en donde se lleva a
cabo el tratamiento de aguas residuales municipales mediante lodos activados.
En la tabla 2, mostramos los resultados de la fracción de gas retenido local en un reactor de 2850 m3, considerando
varias posiciones, a saber: en el centro, en el fondo hay un tubo dispersor; a 1.5 m de un agitador, también en el
fondo tiene un dispersor de plato perforado; y en una zona intermedia entre un agitador y el centro del reactor, en
donde no hay dispersores en el fondo. El reactor mide 24 m de diámetro y los agitadores están colocados a 5 m de la
pared y separados a 900 entre ellos.
La fracción de gas retenido en todos los puntos de medición y en todas las profundidades es relativamente baja. Esto
se puede explicar porque al reactor se le introducen 33 m3 de aire por minuto, que es una baja aereación
considerando los 2850 m3 del reactor.
Para todos los puntos de medición, la fracción de gas retenido aumenta al disminuir la profundidad. Este
comportamiento es similar al encontrado por García y Flores (1995) en un bioreactor jet de 10 m3. La razón de ésto
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puede ser porque a altas profundidades las burbujas tiene un menor tiempo de residencia que el que tienen las
burbujas a bajas profundidades.
Tabla 2: Fracción de gas retenido local en el reactor de 2850 m3.
Punto de medición
Profundidad
Fracción de gas retenido
(m)
(%)
1.0
6.2
1.5
3.6
2.0
3.1
centro
2.5
2.7
3.0
2.3
3.5
1.9
4.0
1.6
1.0
5.6
1.5
3.0
2.0
2.6
entre el centro y un agitador
2.5
2.3
3.0
2.0
3.5
1.6
4.0
1.5
1.0
6.0
1.5
4.0
2.0
3.6
a 1.5 m de un agitador
2.5
3.1
3.0
2.7
3.5
2.4
4.0
1.7
La fracción de gas retenido en la zona del agitador y en todas sus profundidades, es siempre mayor que la
correspondiente a los otros puntos de medición, ésto es debido quizás a que en la zona del agitador hay una mayor
disipación de energía que origina burbujas más pequeñas, con mayor tiempo de residencia, que las que hay en otras
zonas.
La fracción de gas retenido en el centro del reactor y en todas sus profundidades, fue siempre menor que la
correspondiente a los otros puntos. La razón puede ser que como el aire se dispersa en burbujas relativamente
grandes en el tubo difusor, su velocidad de ascenso mayor que la de burbujas pequeñas provoca que su tiempo
de residencia sea menor y por lo tanto su fracción de gas retenido también sea menor.
La fracción de gas retenido en la zona intermedia, entre el centro y un agitador, y en todas sus profundidades,
tiene siempre valores intermedios a los correspondientes a los otros dos puntos de medición. Este
comportamiento puede deberse a una disipación de energía intermedia con respecto a la que se disipà en las
otras dos zonas del reactor.
Con la aplicación del sensor obtuvimos información que nos proporciona un mejor entendimiento del
funcionamiento del reactor. Además, podemos proponer modificaciones al reactor para lograr que en la
mayoría de las zonas del reactor, se alcancen fracciones de gas retenido semejantes que permitirían una
mejor transferemncia de oxígeno.
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Además, con el sensor desarrollado en este trabajo es posible determinar el grado de inhomogeneidades,
referidas como diferencias en la fracción de gas retenido, de una manera sencilla, rápida y económica, pues el
sensor está construido con componentes muy baratos.
El desarrollo del sensor de la fracción de gas retenido, junto con otro medidor del diámetro de burbujas que
actualmente estamos desarrollando, nos permitirá determinar el área interfacial específica en reactores de
contacto gas-líquido. Dicha área es un parámetro importante porque interviene en la ecuación para
determinar la velocidad de transferencia de oxígeno.
CONCLUSIONES
Con base en el trabajo realizado se concluye que:
El sensor de fracción de gas retenido se puede aplicar en reactores de contacto gas-liquido, obteniéndose
valores con un error menor de 3.5%.
El sensor de fracción de gas retenido tiene un tiempo de respuesta prácticamente inmediato.
La aplicación del sensor permitió conocer como es la distribución de la fracción de gas retenido en un reactor
biológico de 2850 m3. Las mayores fracciones de gas retenido se localizan en la zona de los agitadores y las
menores en el centro del reactor, donde solamente hay un difusor de tubo perforado.
La distribución de la fracción de gas retenido es indicativa del grado de homogeneidad de la fase gaseosa y
del volumen útil en el reactor.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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