RESUMEN

Todos los procesos de tratamiento biológico de aguas residuales se producen en un volumen definido por los límites físicos específicos llamado reactor. Dentro del diseño y funcionamiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales es indispensable conocer los cambios que ocurren, y es de gran importancia saber que la forma y eficiencia de esos cambios suceden gracias al tipo y configuración de un reactor. El objetivo principal de esta práctica es evaluar y analizar el comportamiento hidráulico de un reactor de flujo continuo, y esta determinación experimental se complementa con trazadores, que son sustancias que se introducen en un sistema y se comportan como “espías” que da información acerca del mismo a un observador externo. En complemento, se pretende calcular la concentración del trazador que se empleará y ver el comportamiento utilizando la curva de contracción de un trazador y el método Wolf- Resnick y a su vez determinar un tiempo de retención hidráulico experimental para compararlo con el teórico

Para el desarrollo de la práctica se hizo uso de materiales tales como: reactores a escala de laboratorio, en este caso un reactor de mezcla completa de 3 cedas ,espectrofotómetro, bomba, cronometro, probeta, vasos desechables pequeños, balde, solución madre de verde de bromocresol (50 g/L) y soluciones patrón de verde de bromocresol .Por consiguiente pudo realizarse un reconocimiento de reactores con una calibración de caudal y determinación del tiempo de retención hidráulico; también la selección del trazador a utilizar calculando su cantidad y concentración adecuada para luego realizar la curva de calibración del trazador en el espectrofotómetro para finalmente hacer una prueba de trazadores.

INTRODUCCION

Los sistemas implementados para el tratamiento de aguas residuales deben encontrarse en condiciones óptimas en lo que respecta a su funcionamiento donde el diseño y la operación deben realizarse adecuadamente y para ello es indispensable una evaluación de esos sistemas de tratamientos para la eficiencia de remoción de material contaminante. Pues bien, para la operación de estos se requiere un equipo capaz de desarrollar cambios gracias a las reacciones químicas el cual este diseñado para generar eficiencia a los sistemas, llamado reactor.

El reactor, al ser un componente esencial para efectuar un cambio

químico se consideran equipos que sirven para transformar un producto determinado, atendiendo sus causas físicas y químicas, para obtener uno nuevo o trabajar en el mismo, lo que muestra su gran importancia industrial. Muchos procesos naturales se pueden analizar mediante un reactor. De hecho, el presente trabajo muestra las modificaciones en la composición y concentración de ciertos constituyentes durante el tiempo de residencia de las aguas residuales en el reactor puesto que son elementos esenciales en el tratamiento de aguas residuales lo que destaca el uso frecuente como lo es en este caso, en el campo de la Ingeniería ambiental, y la gran importancia es que para garantizar una buena operación del

reactor es necesario evaluar su comportamiento hidráulico e identificar posibles problemas que lo afecten, y en base a ciertas consideraciones en el flujo y el mezclado se considera un tipo de reactor completamente mezclado en el que hay una muestra homogénea y flujos continuos de entrada y salida.

Por eso, el objetivo en el que se centra la práctica es en determinar el comportamiento hidráulico del reactor de flujo continuo de tipo mezcla completa haciendo uso de un trazador al que se le determina su concentración y hallar un tiempo de retención hidráulico. Sumado a esto, como parte principal del análisis de un comportamiento hidráulico, es indispensable evaluarlo mediante la curva de contracción del trazador y el método de Wolf-Resnick.

MARCO TEÓRICO:

Los trazadores son sustancias que se introducen en un sistema con el fin de estudiar la evolución temporal y/o espacial de determinado proceso químico, físico, biológico o industrial, a través de su detección o medición. De esta forma, estas sustancias se comportan como verdaderas “espías”, introduciéndose en un sistema en forma prácticamente desapercibida, brindando luego información acerca del mismo a un observador externo.

Las pruebas con trazadores han sido usadas por muchos años como medio para determinar el flujo en canales, ríos, reservorios y en acuíferos subterráneos. En plantas de tratamiento su uso ha sido limitado, pero muy útil para determinarla distribución del flujo en unidades paralelas y evaluar las condiciones hidráulicas.

En la actualidad estos ensayos se utilizan principalmente para determinarlos tiempos reales de retención y sus principales características concomitantes:

tipos de flujo, espacios muertos y cortocircuitos hidráulicos en unidades de tratamiento como mezcladores rápidos, floculadores, sedimentadores, así como en modelos de reactores en etapa de diseño para conocer su comportamiento hidráulico y deficiencias en forma previa a su construcción, lo cual es de enorme utilidad práctica. También tienen aplicación los ensayos de trazadores para la medición de caudal.

La aplicación de trazadores puede hacerse de dos maneras distintas:

En forma instantánea.

En forma continua. Dosificación instantánea Se aplica una concentración (Co) a la entrada de la unidad en evaluación en un tiempo muy corto, inferior a 1/30 del tiempo teórico de retención (to) y en un punto tal que se mezcle instantáneamente con la masa de agua afluente de la unidad que se piensa analizar.

Dosificación continúa

Se aplica la concentración (Co) continuamente, por un tiempo no menor de tres veces el periodo de retención teórico (to), y luego se interrumpe bruscamente la dosificación.

La forma continua tiene la ventaja de permitir establecer comparaciones entre las curvas que se presentan a la entrada del trazador (cuando se inicia la dosificación) y al final (cuando el proceso se paraliza).

Modelos de flujo

En las unidades de tratamiento de una planta, desde el punto de vista hidráulico, el flujo del líquido puede ser de dos tipos: discontinuo o intermitente y continuo.

Flujo continuo es el habitual en las plantas de tratamiento de agua. Teniendo en cuenta esta característica, los reactores pueden ser de flujo de pistón, mezclado y no ideal.

Flujo de pistón

Se describe como aquel en el que todas las partículas de fluido que entran a la unidad permanecen en ella el mismo tiempo. De esta manera, los elementos de fluido pasan a través del sistema y son descargados en la misma secuencia en que fueron introducidos y no hay ningún tipo de mezcla entre el fluido que ingresa y el fluido que está en la unidad.

Flujo mezclado

Un reactor con flujo mezclado es aquel en el que todo elemento que ingresa al reactor se dispersa inmediatamente dentro de él. Además, se cumplirá que la concentración de una sustancia a la salida de la unidad es igual a la existente en todo el reactor.

Influencia del tiempo de retención

Tradicionalmente se ha empleado para el diseño de los reactores utilizados en plantas de tratamiento de agua el

parámetro denominado tiempo o periodo de retención.

En las plantas de tratamiento se dan procesos que ocurren muy rápidamente y también con mucha lentitud. Se necesitan tiempos de retención o periodos de contacto cortos o largos para lograr la transferencia o las reacciones necesarias.

Se entiende como tiempo medio de residencia, permanencia o tiempo de retención (to) del flujo en la unidad al cociente:

𝑇𝑜 =𝑉

𝑄

Donde:

V = volumen de la unidad

Q = caudal

En la práctica, es difícil que esto ocurra, ya que las condiciones hidráulicas del fluido (zonas muertas, corrientes de inercia, cortocircuitos hidráulicos, etcétera) hacen imposibles las condiciones de flujo estable.

Análisis de las características de un reactor

Al aplicar trazadores a un reactor y analizar las muestras de agua tomadas a la salida, se obtiene una serie de valores de concentración que aumentan con el tiempo hasta llegar a un máximo y luego disminuyen progresivamente.

Fuente: J. M. Pérez Carrión,

Modelo de Wolf-Resnick

El modelo de Wolf-Resnick permite calcular las fracciones de flujo a pistón(P), mezcla completa (M) y zona muertas(m) que se presentan en la operación normal a partir de parámetros como θ , Tanα los cuales se hallan graficando 1-f(t) en función de t/to en escala logarítmica el eje Y.

METODOLOGÍA

Para el desarrollo de la práctica fueron necesarios tres pasos

Fase I: Reconocimiento de reactores, calibración de caudal y determinación del tiempo de retención hidráulico.

Se seleccionó el tipo de reactor que se pretendía evaluar, el cual fue un reactor mezcla completa de 3 series.

Posteriormente se procedió a medir el volumen del reactor y el caudal aforando con el método volumétrico. El aforo del caudal se realizó varias veces hasta que se consiguió un caudal estable.

Fase II: Trazadores

El trazador que se empleo fue el verde cromocresol. Se calculó la concentración

del trazador a utilizar la cual fue de 10mg/L.

Fase III: Prueba de trazadores

Se aplicó el trazador al reactor, que en este caso fue de 1,25ml y se determinó que el tiempo para tomar las muestras fue cada minuto desde el tiempo inicial hasta el minuto 34, seguidamente cada 2 minutos desde el minuto 34 hasta el minuto 60 y finalmente cada 5 minutos desde el minuto 60 hasta el minuto 200.

Las muestras se tomaban en vasos desechables de un tamaño pequeño y se obtenía la concentración leyéndolas en el espectrofotómetro con una longitud de onda de 480 nm.

DATOS, CALCULOS Y ANALISIS

Tabla 1: Datos Volumen (Reactor-Trazador), Caudal, TRH.

En la tabla 2 podemos observar los datos de concentración a lo largo del tiempo que se obtuvieron en la práctica, el primera concentración de trazador no se dio sino hasta los 7 minutos de haber aplicado el trazador.

Volumen Trazador[ml]

1,25

Volumen Reactor[L]

12,5

Caudal[ml/min]

200

TRH[min]

62,5

Tabla 2: Datos de concentración en el tiempo

Tiempo[Min] Concetracion[Mg/L]

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0,042

8 0,221

9 0,310

10 0,577

11 0,666

12 0,845

13 1,023

14 1,112

15 1,379

16 1,469

17 1,469

18 1,825

19 1,825

20 1,914

21 2,093

22 2,182

23 2,271

24 2,360

25 2,716

26 2,806

27 2,806

28 2,895

29 2,895

30 2,984

31 2,806

32 2,806

33 2,806

34 2,806

36 2,806

38 2,806

40 2,984

42 2,716

44 2,806

46 2,895

48 2,806

50 3,073

52 2,806

54 2,716

56 2,627

58 2,449

60 2,538

65 2,271

70 1,914

75 1,736

80 1,461

85 1,290

90 1,112

95 0,934

100 0,845

105 0,666

110 0,488

115 0,399

120 0,310

130 0,132

140 0,099

150 0,048

160 0

170 0

180 0

190 0

200 0

En la gráfica 1 se puede observar que la concentración del trazador aumento hasta el minuto 50 donde fue la máxima concentración de 3,073 mg/L, desde ese momento empezó a descender hasta quedar en 0 en el minuto 160

Grafica 1: Concentración vs Tiempo

A continuación ecuaciones utilizadas para el cálculo de los datos de la tabla 3.

𝐶𝑖 × ∆𝑇 = 𝐶𝑖 × (𝑇𝑓 − 𝑇𝑜)

𝐸(𝑇) =𝐶𝑖

∑ 𝐶×∆𝑇

𝐸(𝑇) × ∆

𝐹(𝑇) =(𝐶−𝐶𝑜)×100

∑ 𝑆𝑢𝑚𝑎(𝐶−𝐶𝑜)

𝑇𝑅𝐻 =∑ 𝑇×𝐸(𝑇)∗∆𝑇

∑ 𝐸×∆𝑇

1 − 𝐹(𝑇) = 100 − 𝐹(𝑇)

La tabla 3 se realiza para poder hallar los parámetros o criterios de evaluación a partir del análisis de la curva de variación y para graficar el modelo de Wolf-Reisnick que se encuentra más adelante.

Se puede Observar que el TRH teórico o To y el hallado a partir de la gráfica se

encuentra muy cercanos, con una diferencia de 7,4 minutos. Ver tabla 3 (anexos).

Tabla 4: Parámetros Principales, Tomada de J.M.

Pérez Carrión, publicado en CEPIS/OPS, Manual de

evaluación. Tomo II

A continuación se muestran las tablas para hallar algunos datos de la tabla 4

Parámetros VALOR[Min]

tp= Tiempo correspondiente a la máxima

concentración50,00

ti= Tiempo inicial desde que se aplica el

trazador hasta que aparece en el efluente. 7,00

tc= Tiempo correspondiente al paso Cp/2 17,19

to= Tiempo de retención teórico 62,50

tb= Tiempo correspondiente al paso de

Cp/108,96

tm=t50 33,61

T90=Tiempo correspondiente al paso del 90%

del trazador67,45

T10=Tiempo correspondiente al paso del 10%

al paso del trazador17,19

Tf= Tiempo que transcurre hasta que

atraviesa la totalidad del trazador150,00

Parámetros Valor (mg/l)

Cp=Concentración máxima del trazador

registrada a la salida del reactor3,073

Co= Concentración inicial del trazador

registrada a la salida del reactor0,042

Cp Cp/2 Cp/10

3,073 1,5365 0,3073

Concetracion[Mg/L] Tiempo[Min]

1,469 17

1,5365 17,1896

1,825 18

Interpolando CP/2 para hallar tc

Concetracion[Mg/L] Tiempo[Min]

0,221 8

0,3073 8,96

0,310 9

Interpolando CP/10 para hallar tb

Tabla 5: Interpolaciones

Tabla 6: Criterios de evaluación Tomada de J.M.

Pérez Carrión, publicado en CEPIS/OPS, Manual de

evaluación. Tomo II

De acuerdo a los criterios tomados de J.M. Pérez Carrión predomina el flujo

mezcla completa, y el principal falla hidráulico son los cortos circuitos.

Modelo De Wolf-Resnick

Grafica 2: Modelo de Wolf Resnick

Trazando la curva de la tangente obtuvimos los valores

de 𝑇1

𝑇𝑜 𝑦

𝑇2

𝑇𝑜 los cuales se utilizan para hallar θ,

Tanα.

Tabla 7: Datos obtenidos después de analizar la

gráfica de Wolf Resnick

Se puede concluir del modelo de Wolf Resnick que el flujo predominante es de mezcla completa con un valor de 61.2% frente a un 38,8% de flujo a pistón, también se puede observar que no existen zonas muertas lo cual deja como único problema los cortos circuitos.

F(t) Tiempo[Min]

8,71 17

10 17,72

10,51 18

Interpolando t10

F(t) Tiempo[Min]

48,31 33

50 33,61

51,09578 34

Interpolando t50

F(t) Tiempo[Min]

89,08 65

90 67,45

90,96 70

Interpolando t90

Criterio Número (Valor) Análisis

Ti/t0 < 0,3 0,112

El valor obtenido es menor a

0,3 significa que existe paso

directo del trazador entre la

entrada y la salida del reactor

Tm/t0 < 1 0,537696Existencia de cortocircuitos

hidráulicos

Tp/t0 0,8Dato no claro para determinar

predominancia de flujo

Tc/to 0,2750336 No indica mezcla completa

Tb/to 0,14336 No indica mezcla completa

E: excentricidad 0,688Dato no claro para determinar

predominancia de flujo

IM: Índice de Morril

3,923884209

El valor para mezcla

completa es igual a 4,43 .IM

se acerca al valor ,

predomina flujo mezcla

completa

Dato Valor

θ 0,4

Tanα 0,6896

P 0,388

M 61,2

p 0,388

m 0

Ecuaciones de los datos obtenidos en la tabla 7

𝑡𝑎𝑛 ∝=1

1.85 − 0.4

𝑡𝑎𝑛 ∝=0.6896

𝜃 =𝑡1

𝑡0= 0.4

𝑝 =0.4∗0.6896

0.435+(0.4)∗(0.6896)= 0,3880

Zonas muertas

𝑚 = 1 − (0.4

0.3880)= -0.0309

Flujo a pistón

𝑃 = (0.3880) ∗ (1 − 0) = 0.3880 = 38.8%

Mezcla completa

𝑀 = (1 − 0.3880) ∗ (1 − 0) =0.330 = 61.2%

Eficiencia de mezcla

𝑛 =1

(1 − 0.3880) ∗ (1 − 0)= 1.6339

Análisis de Resultados

Los resultados obtenidos en la tabla 4 de

parámetros principales indican un valor

Ti/To de 0.112 el cual es menor a <0.3 lo

cual indica que el reactor tiene

problemas de cortos circuitos, Tm/To

tuvo un valor de 0,537 < 1 , lo que

corresponde a que efectivamente

existen cortos circuitos y que da la

posibilidad de zonas muertas , estas se

descartan analizando las ecuaciones del

modelo de Wolf resnick , donde se

obtiene un valor negativo indicando que

las zonas muertas para el reactor es

igual a 0.

Calculando la fracción de mezcla

completa y flujo a pistón obtuvimos un

porcentaje mayor de mezcla completa

del 61.2% en comparación al 38.8% de

flujo a pistón lo cual es un resultado

idóneo puesto que trabajamos en un

reactor de mezcla completa.

Tp/to =0,8 al este valor tender a 1, nos estaría indicando un flujo a pistón, pero teniendo en cuenta la relación entre el tiempo inicial en el que se aplica el reactor, nos damos cuenta de que se trata de un flujo mezclado dado que 0.8 es un valor que oscila entre 0 y 1, para que sea un flujo a pistón debe ser mayor o igual a 1.

Se presentó un pequeño inconveniente al momento de introducir el trazador, debido a que se introdujo un trazador con una concentración diferente a la indicada con lo cual se tuvo que volver a empezar y vaciar el reactor esto afecto el mezclado ya que se cambió la posición del reactor y las paletas de mezclado en primer lugar no estaban correctamente aseguradas esto posiblemente provoco la presencia de cortos circuitos en el reactor.

Se presentan cortos apreciables, que originan un tiempo de retención muy pequeño 3.2 minutos, en lugar de un tiempo calculado de 62.5 minutos

Conclusiones

Para un buen desarrollo de la prueba de

trazadores, es necesario además de

seleccionar correctamente el trazador

contar con la cantidad apropiada y dar un

tiempo considerablemente mayor que el

teórico de residencia para garantizar que

todo el trazador alcance a salir en su

totalidad.

El trazador se debe inyectar en un punto

de mezcla a la entrada para evitar que se

estanque desde el principio en una zona

donde no haya buena distribución.

Para evitar variaciones de la distribución del tiempo de residencia se debe asegurar que haya un buen mezclado para evitar canalización dentro del reactor y obtener así, los resultados esperados.

Para obtener resultados óptimos se deben tener en cuenta la distribución del tiempo de residencia del material en este caso el trazador que está fluyendo en el reactor, la forma en que se adiciona el mismo y la anticipación o retardo del mezclado.

Es importante que el trazador escogido se una sustancia que no reaccione con los compuestos presentes en el agua, para que la concentración total detectada a la salida sea igual a la que se aplique a la entrada.

Bibliografía

J. M. Pérez Carrión. (1992). , Manual de evaluación. Tomo II. Lima: CEPIS/OPS.

http://www.galeon.com/mcoronado/ANA

LISIS_UNIDADES/04REACTORES.pdf

http://sitios.ingenieria.usac.edu.gt/eris/te

sis_eris/is/IS_0244.pdf

http://www.fing.edu.uy/iq/maestrias/Dise

nioReactores/materiales/notas2.pdf

Anexos