Coeficiente Volumetrico de Transferencia de Masa Kla

LABORATORIO DE FENOMENOS DE TRANSFERENCIA

COEFICIENTE VOLUMETRICO DE TRANSFERENCIA DE MASA KLA

En reactores que son de tipo tanque agitado, el coeficiente volumétrico de transferencia de materia, k La, aumenta conforme se incrementa el caudal de aire suministrado, esto puede ser tanto en agua como en líquidos orgánicos. La predicción del coeficiente de transferencia de materia en columnas de burbujeo con recirculación se realiza mediante un modelo teórico propuesto en el equipo de investigación y desarrollado a partir de un modelo fluido dinámico de García Calvo, 1989, basado en un balance de energía y en las teorías de la Penetración de Higbie y la Turbulencia Isotrópica de Kolmogoroff, para sistemas bifásicos y trifásicos G-L-S y diferentes configuraciones de reactor (columnas de burbujeo con y sin recirculación). Debe distinguirse entre la transferencia de masa y el movimiento de masas de fluido (o flujo de fluidos) que se presenta en un nivel macroscópico conforme un fluido se transporta de un lugar a otro. La transferencia de masa requiere la presencia de dos regiones con composiciones químicas diferentes y se refiere al movimiento de especies químicas desde una región de alta concentración hacia una de concentración menor. La fuerza impulsora primaria para el flujo de fluidos es la diferencia de presión, en tanto que, para la transferencia de masa, es la diferencia de concentración.

El kLa va a ser afectado por varias condiciones como la configuración del reactor, las condiciones de operación, la velocidad de agitación, el caudal de aire suministrado y la fracción de fase orgánica, en el caso de emplear medios bifásicos en lugar de líquidos puros. En el caso de ser afectado por sustanciasorgánicas que según su estructura química irán aumentando o disminuyendo el k La. La exagerada o moderada velocidad de agitación y la alta viscosidad también también afectan enormemente la k La, otros factores que afectan la K La son el exceso de aireación y la temperatura, esta última afecta el coeficiente de difusión y solubilidad. La teoría de Penetración de Higbie establece que el coeficiente de transferencia de materia en fase liquida es función del tiempo de contacto, θ , entre un elemento del líquido y la superficie del gas, pudiéndose expresar como: El tiempo de con tacto (θ), puede ser deducido considerando la teoría de la Turbulencia Isotrópica, en la que la disipación de la energía se produce principalmente por los remolinos o turbulencia a escala microscópica. Estos remolinos de pequeño tamaño son los que interaccionan con la superficie de las burbujas como un elemento de contacto líquido.

Está definido por la relación de Arhenius Kt=K20o*θ^(T -20 -20o ) Kt coeficiente coeficiente global de transferencia de oxígeno (K La) a la temperatura T, (°C) Θ coeficiente sin dimensión cuyos valores varían entre 1,016 y 1,037 Para la aireación mecánica el valor de Θ puede tomarse como 1,024 – 1,028 En el siguiente documento existe una lista de coeficientes de difusión con la temperatura a la cual fueron medidos COEFICIENTES medidos COEFICIENTES DE DIFUSION 1


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La saturación de oxígeno en agua está relacionada con la temperatura. Además, está relacionada con la presión parcial del oxígeno en fase gaseosa (Ley de Henry). Es conveniente usar una saturación promedio en la profundidad del tanque que puede ser estimada como:

Para sistemas de tratamiento biológico que remueven carbonos orgánicos, el nivel de oxígeno disuelto CL, cuando está operando puede variar entre 0,5 y 1.5 mg/l. Cuando la nitrificación esta por alcanzarse el oxígeno disuelto puede estar en un exceso de 2,0 mg/l.

El modelo de la norma ASCE La norma internacional más ampliamente utilizada para evaluar la eficiencia de oxigenación de un sistema de transferencia de oxígeno dado, es la desarrollada en conjunto por la American Society of Civil Engineers (ASCE) y la Environmental Protection Agency (EPA) de los Estados Unidos: “A “ A Standard for the Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water” [1]. Esta norma se basa en una técnica de reaeración r eaeración en estado no estacionario en la cual primeramente un volumen dado de agua limpia se desoxigena mediante la reacción con sulfito de sodio catalizada por cloruro de cobalto (II) y luego se reairea hasta alcanzar la “saturación” o el equilibrio. En este proceso se realiza una medición precisa de la concentración de oxígeno disuelto con el tiempo. En esta norma se propone un modelo simple para la transferencia de oxígeno, en el cual se cuantifica la tasa global de transferencia en términos del producto de un solo coeficiente y una única diferencia global de concentraciones como fuerza motriz. Para un sistema de tanque con reaeración por tandas, el modelo para el estado no estacionario estaría expresado por la siguiente ecuación (1)

donde C es la concentracion de oxıgeno disuelto en la fase lıquida, C ∗ O2 es la concentración de oxıgeno disuelto en el equilibrio, kLa es el coeficiente convectivo de transferencia de oxıgeno de la fase gas a la fase lıquida, a es el área especıfica de transporte de oxıgeno y el producto kLa es el coeficiente volumétrico global de transferencia de oxıgeno. Al integrarse la ecuación diferencial anterior, suponiendo que KLa y C* ∞ son constantes

durante todo el periodo de la prueba y a lo largo de todo el volumen de transferencia, se 3


obtiene la función que describe la variación de la concentración de oxígeno disuelto con respecto al tiempo:

La norma ASCE recomienda realizar a los datos obtenidos un análisis de regresión no linear basado en el método Gauss- Newton, para ajustarlos a la ecuación (2), utilizándose KLa, C* ∞ y C0 como tres parámetros ajustables del modelo. Este modelo de transferencia de oxígeno utilizado en la norma ASCE es un modelo bastante sencillo, el cual considera un único coeficiente volumétrico de transferencia de masa. A pesar de su sencillez, se ha demostrado que este modelo ajusta estadísticamente en forma bastante adecuada los datos de reoxigenación; sin embargo, tiene poco sentido físico y por lo tanto, los resultados no pueden emplearse para el escalamiento de sistemas de aeración. Estas y otras deficiencias de este modelo las discuten ampliamente McWhirter y Hutter [11].

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