Diseño de un Sistema de Flotacion

DISEO DE UN NUEVO SISTEMA DE FLOTACIN

CT&F - Ciencia, Tecnologa y Futuro - Vol. 1 Nm. 5 Dic. 1999

J. E. FORERO *, J. DAZ * y V. R. BLANDN

Ecopetrol - Instituto Colombiano del Petrleo, A.A. 4185 Bucaramanga, Santander, ColombiaE-mail: [email protected]; E-mail: [email protected]

* A quien debe ser enviada la correspondencia

a flotacin por aire es un proceso de separacin fsica para el tratamiento de aguas residualesindustriales, que remueve grasas, aceites y slidos suspendidos. Aunque hay diferentes mtodos deflotacin, que han sido utilizados en la industria del petrleo, su aplicacin est sujeta a numerosas

limitaciones operacionales y econmicas. En este trabajo se discuten algunas comparaciones de estas tcnicasde flotacin. Ha sido desarrollado un nuevo sistema para el tratamiento de aguas residuales por flotacin. Estesistema es el resultado de varios aos de investigacin tanto en laboratorio como en planta piloto. El nuevodiseo utiliza caractersticas combinadas de otras tcnicas, est basado en una modificacin de un sistema deflotacin por aire inducido para que opere como un sistema de flotacin por aire disuelto, lo cual permitemejorar su desempeo a ms bajo costo y reducir problemas operacionales asociados a mantenimiento deequipos. El sistema desarrollado tiene varias caractersticas que mejoran su funcionamiento, incluido el uso deboquillas para inyeccin y dispersin del gas en la fase lquida. Frente a los sistemas convencionales, se eliminala necesidad de utilizar equipos motorizados generadores de burbujas para cada celda de flotacin, y asdisminuir los requerimientos energticos.

The air flotation is a process of physical separation for the industrial wastewater treatment, that removes oils andsuspended solids. Although methods different from flotation have been used in petroleum industry, theirapplication is subjected to numerous operational and economic limitations. In this work some comparisons ofthese flotation techniques are discussed and, a new system for the treatment of residual waters by flotation is thedeveloped. This system is the result of several years of research both in laboratory and in pilot plants. The newdesign uses characteristics from other techniques, it is based on a modification of a system of induced airflotation as to operate like a system of dissolved air flotation, which improves its performance at lower costs andreduces operational problems associated with equipment maintenance. The developed system has severalcharacteristics that improve its operation, including the use of nozzles for gas injection and dispersion in theliquid phase. As opposed to conventional systems, there is no need to use motorized bubble generatingequipment for each flotation cell, diminishing therefore power requirements.

Palabras clave: flotacin, tratamiento de aguas, aguas residuales, aguas aceitosas, tamao de burbuja

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DISEO DE UN NUEVO SISTEMADE FLOTACIN PARA

TRATAMIENTO DE AGUASINDUSTRIALES


J. E. FORERO et al.

INTRODUCCINLa proteccin del medio ambiente cada vez toma

mayor importancia en las operaciones asociadas a laindustria del petrleo y gas. Las aguas residuales, gene-radas en la produccin, transporte y refinacin, contie-nen contaminantes disueltos y suspendidos como acei-te residual y materiales slidos, los cuales deben serseparados para que el agua vertida cumpla estrictamen-te con las regulaciones ambientales gubernamentales.

Tecnologas encaminadas a mejorar la calidad finalde las aguas residuales ha sido materia de continua in-vestigacin. La flotacin es una operacin utilizada paraseparar slidos dispersos y lquidos inmiscibles suspen-didos en una fase lquida. La separacin se obtiene in-troduciendo finas burbujas (generalmente aire) en lafase lquida, las burbujas se adhieren a las partculascontaminantes y forman aglomerados con una densi-dad aparente menor a la de la fase lquida. La fuerzade empuje generada hace que las partculas suban a lasuperficie donde pueden ser removidas con facilidad.

Las aguas residuales pueden ser clarificadas de di-ferentes maneras, cada mtodo tiene sus propias ven-tajas y limitaciones. La remocin de partculas grandeses relativamente barata y tcnicamente simple, se puedelograr con mtodos sencillos como la filtracin o sedi-mentacin en lagunas de separacin o separadores API,los cuales son adecuadas si el aceite no est emulsifi-cado y si hay suficiente espacio y tiempo de residenciadisponible para separar slidos suspendidos (Ellis, 1973).Arreglos de placas de coalescencia pueden mejorar laeficiencia de separacin de estos sistemas simples,ayudando a romper las emulsiones y a sedimentar sli-dos aceitosos en forma de lodos. Sin embargo, si nohay instalaciones con espacio adecuado para equiposconvencionales, otros mtodos de clarificacin, comola flotacin con gas, deben ser considerados. La flota-cin se ha utilizado principalmente para la separacinde partculas pequeas o en estado coloidal. All, la re-lacin entre la distribucin del tamao de la partcula,el nmero y tamao de las burbujas de aire es crticapara una operacin eficiente.

Como parte de las tecnologas que el Instituto Colom-biano del Petrleo (ICP) desarrolla para el tratamientointegral de aguas residuales industriales, se incluye elproceso de flotacin con gas para separacin de conta-minantes. Para mejorar la eficiencia de este proceso,

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se han evaluado nuevos diseos de sistemas de flota-cin que buscan mejorar los patrones de generacin demicroburbujas y puedan garantizar alta remocin deaceites y slidos suspendidos, en menor tiempo de ope-racin. El uso de boquillas para inyeccin y dispersindel gas simplifican la operacin del sistema y se redu-cen costos por infraestructura y mantenimiento.

TEORA DE FLOTACIN POR GASLa velocidad de flotacin con gas es mayor que la

separacin por gravedad de gotas de aceite y slidossuspendidos en un agua residual industrial. Se ha de-mostrado que para nmeros de Reynolds iguales omenores a 0,1, el movimiento vertical de una partculaa travs de un fluido puede ser descrito por la Ley deStokes (Sport, 1970), as:

donde,V = velocidad de ascenso de la partculag = aceleracin de la gravedadrf = densidad del fluidorp = densidad de la partcula suspendidaD = dimetro de la partculam = viscosidad del fluidoLa flotacin con gas modifica dos variables de la

Ley de Stokes: la densidad de la partcula y el dimetrode la partcula. Al chocarse y adherirse finas burbujasa las partculas, decrece la densidad efectiva del aglo-merado resultante y aumenta su dimetro efectivo. Elresultado neto es que las partculas se elevan rpida-mente hasta la superficie del fluido. Al igual que paralas partculas, este fenmeno tambin aplica a las go-tas de aceite que por su tamao tambin se encuentransuspendidas en el fluido.

La flotacin consta de varias etapas para que elproceso se lleve a cabo: 1) Generacin y distribucinde microburbujas en el agua por tratar, 2) Colisin en-tre las microburbujas y las partculas suspendidas en elagua, 3) Contacto interfacial del sistema partcula/bur-buja, 4) Arrastre de otras partculas que se encuentranen la trayectoria de los aglomerados que ya se han for-mado y 5) Ascenso del aglomerado a la superficie don-de debe removerse (Strickland, 1980; Sander, 1994).

g(rf -rp)D2V = 18m


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En operaciones de transferencia de masa gas-l-quido, frecuentemente utilizadas en procesos de tra-tamiento de aguas residuales, el aumento del rea inter-facial es uno de los parmetros ms importantes paraaumentar la eficiencia en la operacin. En el caso de laflotacin, la uniformidad y continuidad del proceso es-tn ligadas al dimetro de burbujas colocadas en la faselquida. Esto se mejora si hay presencia de microburbujaspues el incremento de su densidad numrica y el au-mento del tiempo de residencia elevan la probabilidadde colisin y adhesin del sistema partcula/burbuja(Gochin). Como se observa en la Figura 1, burbujas dedimetros menores a 100 mm tienen velocidad de as-censo de algunos milmetros por segundo, mientras queburbujas de algunos milmetros de dimetro (2 a 9 mm)tienen velocidades 10 a 30 veces superiores.

El principal interrogante por resolver en el trata-miento por flotacin es cmo alcanzar alta generacinde microburbujas dentro del rango de tamaos efecti-vos para el proceso y cmo distribuirlas eficientementeen el agua por tratar y lograr, as, el mximo de remo-cin de partculas contaminantes suspendidas.

A continuacin se discuten las principales caracte-rsticas de diferentes mtodos de flotacin. Las celdasde flotacin estndar pueden utilizar dos tcnicas dife-rentes (DAF o IAF) para retirar aceite y slidos sus-pendidos de un agua residual.

Sistema de flotacin por aire disuelto (DAF)En la flotacin por aire disuelto (DAF) se produce

una dispersin de finas burbujas de aire al reducir drsti-camente la presin de una corriente saturada con aire.Este proceso requiere compresor, una cmara presuri-zada con sistema de recirculacin para forzar el aireque va a disolverse hasta saturar la fase acuosa. Lacorriente, rica en aire disuelto, es llevada a la piscinade tratamiento, all se provoca una disminucin contro-lada de presin para que el aire liberado genere micro-burbujas.

En un proceso DAF los valores tpicos del tamaode burbuja generado oscilan entre 10 y 100 mm. Esteproceso es bastante costoso pues se requiere el com-presor que genere en el aire una presin de 304,07 kPaa 405,43 kPa. por encima de la presin de la corrientede agua. Adems, se necesita la cmara presurizadacon recirculacin y un sistema para controlar la pre-sin al liberar la corriente de agua saturada.

Sistema de flotacin por aire inducido (IAF)La flotacin por aire inducido (IAF) ha sido utiliza-

da extensivamente para el tratamiento de aguas de pro-duccin. Esta tcnica utiliza equipos motorizados queinducen el gas dentro de la fase acuosa, como losaireadores, flotadores mecnicos que consisten de unimpeler movido por motor, que succiona agua y sta asu vez succiona el aire del ambiente. A la salida delimpeler, unas pequeas perforaciones producen lasburbujas.

En este proceso, los valores tpicos de tamao deburbuja generado son superiores a 1.000 mm. Debido alos grandes tamaos de burbuja, se incrementa la canti-dad de aire que se debe inyectar para que el procesosea eficiente. Este sistema requiere, adems, grandesdifusores para tener influencia sobre toda el agua portratar.

Sistema de flotacin (Diseo ICP)El proceso de separacin por flotacin diseado por

el ICP est basado en la inyeccin de aire atmosfricoutilizando agua como fluido motriz. En este proceso, elcontacto aire - agua se realiza mediante boquillas inyec-toras, simulando un proceso DAF, pero con ventajasde un proceso IAF, especialmente en lo referente a laeconoma del proceso.

El funcionamiento del sistema consiste en recircularparte del agua por tratar presente en la piscina. Se debe


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utilizar un sistema de bombeo para enviar el fluido a unvnturi abierto a la atmsfera. Al producirse el cambiode velocidad dentro del vnturi, se produce un vacoque induce el aire hacia la salida del mismo, mezcln-dolo con el agua en forma de microburbujas. Esta co-rriente puede entonces ser distribuida por un arreglode tubera dentro de la piscina para producir la flota-cin.

Este sistema es muy eficiente debido al gran incre-mento en el rea interfacial como consecuencia de lageneracin de una alta cantidad de microburbujas, detamao promedio entre 150 y 250 mm. Es un sistemaflexible que permite, haciendo algunos ajustes en suconfiguracin, cumplir funciones adicionales como des-pojo de sustancias contaminantes, homogeneizacin,neutralizacin, aireacin, tratamiento qumico/biolgi-co, entre otros, procesos necesarios para el tratamien-to integral de aguas residuales.

DESARROLLO EXPERIMENTALEl objetivo de esta investigacin es obtener la infor-

macin suficiente que permita disear un sistema deflotacin con caractersticas combinadas DAF-IAF yutilizar boquillas inyectoras. Se evala el efecto de par-metros de diseo sobre la remocin de aceites en lasceldas de flotacin, como las condiciones de flujo ytemperatura, las alternativas de distribucin y el mejorarreglo del sistema de inyectores que permita conocerlas condiciones ptimas de operacin.

Metodologa experimentalPara la realizacin de las pruebas se sigui la si-

guiente secuencia de trabajo:

- Limpieza y preparacin de la celda de flotacin.- Preparacin de emulsiones de diferentes crudos, si-

mulando caractersticas similares a las que se pre-sentan en este tipo de aguas residuales. Se prepa-ran sistemas con concentraciones superiores a 100mg/dm3 de aceite y con tamaos de partcula entre30 mm y 100 mm.

- Se realiza un muestreo inicial del agua por tratarpara medir al final la eficiencia de remocin.

- Seguimiento al proceso de flotacin. Se realiza to-mando muestras cada 40 minutos, siguiendo el mis-mo procedimiento de la muestra inicial.

- Montaje segn arreglo de eyectores para una recir-culacin de 10% del volumen de agua por tratar.

- El anlisis de las muestras se realiza en el Labora-torio de Aguas y Suelos del ICP, siguiendo la normainternacional AWWA 5520-C que da el resultadocon una exactitud de 0,1 mg/dm3 de contenido degrasas y aceites.

- Las variables estudiadas en esta experimentacinse presentan en la Tabla 1.

Equipos utilizadosPara la realizacin de las pruebas se utiliz un sepa-

rador API a escala, ubicado en las Plantas Piloto delICP, ver la Figura 2. Este separador consta de un tan-que de carga, un compartimiento de igualacin del flujoy dos cmaras paralelas de separacin.

La alimentacin de la celda se realiza con una bom-ba centrfuga multietapas, la cual puede succionar aguadesde tres puntos distintos en el compartimiento delseparador. El agua bombeada puede entrar a la celdapor dos arreglos de boquillas, que permiten evaluar el



efecto de uno de ellos o de los dos simultneamente.Otro de los equipos utilizados se puede ver en la

Figura 3. En l se realizan los anlisis visuales del pro-ceso. En este equipo se pueden realizar cambios en ladistribucin de los arreglos de boquillas y se puedenhacer ajustes, para alcanzar los tamaos de burbujadeseados.

El arreglo de doble succin es un conjunto de dosboquillas que operan en paralelo para el fluido motriz(agua) y en serie para el fluido inyectado (aire). En laFigura 4 se muestra este arreglo.

La boquilla principal es la que maneja la mayor par-te del flujo de agua y la que descarga la totalidad de lamezcla agua aire, al fondo de la celda. La boquillasecundaria se encarga de succionar el aire y hacer unaprimera formacin de burbujas. Estas pasan por la bo-quilla principal y se logra la reduccin de tamao deburbuja. Los Sistemas 1 y 2 evaluados se presentan en

la Tabla 2.En la celda de flotacin puede haber uno, dos o ms

arreglos de doble succin. Para este caso se realiz elensayo con dos arreglos, cada uno maneja la mismacantidad de fluido.

La estrategia de experimentacin consisti en ha-cer pruebas en blanco(sin flotacin) a 298 K y 323K simulando un separador API convencional. Luegose realizaron pruebas adaptando los Sistemas 1 y 2 a34,75 kPa, 103,42 kPa y 206,85 kPa psi. El esquemade pruebas realizado se puede observar en la Tabla 3.

RESULTADOSLos resultados obtenidos se pueden ver a continua-

cin:Las pruebas en blanco se realizaron para tener

una referencia de la efectividad del proceso en unseparador API, cuando se opera a diferentes tempera-turas.

En la Figura 5 se observa que la remocin de hidro-carburo a una alta temperatura (323 K) se da prctica-mente en los primeros cuarenta minutos y luego no hayremocin. A baja temperatura (298 K), la remocinocurre lentamente y slo a los 120 minutos iguala elporcentaje removido a 323 K. Esto es lgico pues latemperatura hace que la diferencia de densidades en-tre el crudo y el agua aumente, favoreciendo la sepa-racin.

El efecto de la presin de operacin sobre el por-centaje de remocin, utilizando el Sistema 1 de boqui-


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llas, se presenta en la Figura 6.Se observa que a mayor presin la remocin au-

menta. En la operacin a baja presin se obtiene bajageneracin de microburbujas, mientras que a presio-nes altas se obtiene una buena cantidad de micro-burbu-jas. Sin embargo, el rango de presin no debe exceder-se porque se puede presentar turbulencia y promoverreemulsin del crudo disminuyendo la remocin. En ope-racin industrial, la presencia de un desnatador puedeevitar este efecto.

La comparacin de la utilizacin de diferentes arre-

glos de boquillas (Sistemas 1 y 2) para la generacinde burbujas se presenta en la Figura 7, all se observaque el Sistema 1 (menor flujo), presenta mejor funcio-namiento para el proceso de flotacin. Para el caso delSistema 2 (mayor flujo), se provocan efectos turbulen-tos en la celda, que afectan la remocin por inestabili-dad del sobrenadante.

RECOMENDACIONES- Uno de los factores ms importantes para aumen-

tar la eficiencia de remocin de contaminantes, porel proceso de flotacin, es garantizar una alta gene-racin de microburbujas, pues se puede aumentar,con el sistema propuesto, su densidad numrica y eltiempo de residencia, lo cual incrementa la probabi-lidad de colisin partcula/burbuja.

- La eficiencia del proceso de flotacin es una fun-cin directa del nmero de partculas suspendidaspor unidad de volumen de agua residual. Cuando elproceso se completa en la primera celda, la veloci-dad de separacin empieza a decrecer continua-mente, debido a que se reduce la probabilidad decolisin partcula/burbuja y las partculas que que-dan son cada vez ms pequeas. Para efectos prc-ticos, se ha encontrado que sistemas de flotacinmulticeldas producen mejores resultados de remo-cin de contaminantes especialmente en aplicacio-nes de difcil tratamiento.

- Para aplicaciones industriales, se recomienda utili-zar un arreglo de celdas de flotacin en serie. Elnmero de celdas usualmente puede estar entre dosy tres, pues la variacin del nmero de partculascontaminantes, que pueden ser flotadas, disminuyerpidamente y la eficiencia de remocin adicionalque se alcanza no justifica la operacin de un mayor


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nmero de celdas.- Cuando se requiera intensificar el proceso de flota-

cin para mantener la eficiencia de remocin decontaminantes, el sistema se debe dimensionar man-teniendo un equilibrio entre los beneficios alcanza-dos en el tratamiento y el incremento de costos poroperacin, mantenimiento y consumo energtico.

CONCLUSIONES El arreglo de doble succin de boquillas inyectoras

es til para el proceso de flotacin, porque mejoraen un 50% la remocin que se alcanza inicialmenteen el separador API, operado a condiciones norma-les de temperatura (298 K). En sistemas sin flotacin, la temperatura es una va-

riable importante para promover la separacin. Sinembargo, la remocin lograda al elevar la tempe-ratura de operacin a 323 K es cercana al 50%,mientras que aplicando el proceso de flotacin selogran remociones mayores al 90% del contenidoinicial de hidrocarburo.

El aumento de la presin en las boquillas favoreceel proceso de flotacin por la cantidad de microbur-bujas producidas. Sin embargo, se debe evitar ope-rar a presiones mayores a 275,8 kPa (40 psi), puesse afecta la estabilidad de los sobrenadantes. El arreglo con menor flujo presenta un mejor fun-

cionamiento que el de mayor flujo, pues para la pre-sin de operacin se produce mayor densidad num-rica de microburbujas que la que se presenta conlas boquillas ms grandes. Todas las evaluaciones han indicado que para un

consumo dado de aire, el proceso de flotacin esmejorado por la presencia de microburbujas, debidoal aumento de su densidad numrica y al aumentode su tiempo de residencia, lo cual incrementa laprobabilidad de colisin. El tiempo de residencia deuna microburbuja es alto debido a que su trayecto-ria presenta movimientos complejos en zig-zag, pro-ducto de la influencia de la resistencia del agua ensu ascenso y los patrones de flujo generados. Cuando en la celda de flotacin se generan burbu-

jas de algunos milmetros de dimetro, el caudal de



aire requerido es mucho mayor que en el caso demicroburbujas, si se desea buena distribucin de lasmismas. Sin embargo, este aumento de caudal pro-voca corrientes turbulentas y altas fuerzas de corteque pueden romper con facilidad los aglomeradosflotantes, provocando nuevamente su sedimenta-cin. Los procesos de flotacin son compatibles con to-

dos los sistemas de separacin existentes y su usoincrementa la remocin de slidos suspendidos, queno se alcanz en el separador API. En una celda de flotacin destinada a retirar part-

culas ligeras, hidrocarburos, grasas, fibras, se debeconsiderar la presencia de dos zonas en la columnade agua, una de agitacin con suficiente turbulenciapara favorecer el contacto partcula/burbuja y otrazona en calma para que se efecte la flotacin pro-piamente dicha. Se han establecido caudales de recirculacin de

agua clarificada entre 10% - 15% del caudal totalde agua residual para alcanzar eficiencias de sepa-racin superiores al 60%. Como este sistema de flotacin utiliza caractersti-

cas combinadas de las tcnicas IAF y DAF, se debetener en cuenta que el consumo de aire vara entre0,02 m3 y 0.50 m3 (condiciones estndar) por cadametro cbico de agua por tratar, dependiendo de lacalidad del agua y de las condiciones de operacindel sistema.

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