447_n

ESTUDIO HIDRODINMICO EN UN REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO ASCENDENTE A TRAVS DE DINMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL

Marcos Daniel Gonzlez Llanesa, Oscar Martn Hernndez Caldernb, Eleazar Mximo Escamilla Silvaa

aDepartamento de Ingeniera Qumica, Instituto Tecnolgico de Celaya Av. Tecnolgico y A. Garca Cubas S/N. Celaya,

Guanajuato, 38010, Mxico. ([email protected]). bUniversidad Autnoma de Sinaloa, Facultad de Ciencias Qumico - Biolgicas, Ciudad Universitaria, Culiacn, Sin, 80010,

Mxico. Resumen En la actualidad la sociedad en general ha dirigido su atencin a los problemas de tipo ambiental, en los cuales los tratamientos de las aguas residuales han adquirido un plano importante, entre las opciones ya utilizadas para la reduccin, y en mucho de los casos eliminacin de contaminantes orgnicos y de algunos metales pesados presentes en las aguas residuales, se encuentra el tratamiento con lodos activados, A pesar de ello, los errores en el diseo y la operacin de estos sistemas es una causa frecuente en cuanto a la eficiencia de los mismos. En este proyecto de investigacin se simul el comportamiento por medio de FLUENT, un software comercial basado en el mtodo de volmenes finitos, el cual nos permiti identificar la tendencia del flujo, as como los perfiles de velocidades y concentracin dentro del reactor. La evaluacin del comportamiento hidrodinmico mostr la presencia de flujo dual (flujo pistn-mezcla completa), zonas muertas y presencia de cortos circuitos; adicionalmente, la simulacin del reactor indic un elevado grado de dispersin en cuanto a las concentraciones de lodos, presentando con esto zonas donde la concentracin de lodos fue casi nula.

Introduccin La tecnologa de la digestin anaerobia se encuentra firmemente establecida a nivel mundial, y puede ser adaptable a las caractersticas del residual a tratar y el lugar donde se quiera implementar. El tratamiento anaerbico es tambin una opcin atractiva para el tratamiento biolgico de aguas residuales municipales [1], as como residuos ganaderos y agrcolas, lo cual tiene numerosas ventajas, incluyendo la generacin de un producto de utilidad energtica (es decir, el biogs), adems de que no requiere energa para la aireacin, y una reduccin del costo de tratamiento de lodos ya que la produccin de estos se reduce considerablemente en comparacin de un sistema biolgico aerobio.

La operacin de stos se basa en la actividad autorregulada de diferentes grupos de bacterias que degradan la materia orgnica y se desarrollan de manera continua, formando un lodo biolgicamente activo dentro del reactor, siempre y cuando en el interior se tenga un buen contacto con el agua residual y un tiempo de permanencia suficiente para alcanzar una alta eficiencia en la remocin de material orgnico biodegradable [2,3].

Para garantizar una buena operacin de este tipo de reactores, es necesario evaluar su comportamiento hidrodinmico con el fin de identificar el tipo de flujo y los problemas que lo afectan. El correcto diseo del sistema de distribucin del efluente es un aspecto extremadamente importante para los reactores anaerobios de lecho fluidificado [4].

Memorias del XXXIV Encuentro Nacional y III Congreso Internacional de la AMIDIQ7 al 10 de mayo de 2013, Mazatln, Sinaloa, Mxico

2013 Academia Mexicana de Investigacin y Docencia en Ingeniera Qumica (AMIDIQ)ISBN: 978-607-95593-1-1

1591

Metodologa El estudio aerodinmico mediante CFD tiene unos pasos a seguir necesarios: el pre-procesado, la simulacin y el post-procesado.

El pre-procesado consiste bsicamente en preparar nuestro problema para poder realizar los clculos necesarios y obtener los resultados. Consta principalmente de tres partes: definicin de la geometra, el mallado y la definicin de las condiciones de frontera.

Partiendo de los planos del prototipo se elabor un modelo virtual de la regin de inters del reactor anaerobio de flujo ascendente a una escala de 1:1 con respecto al modelo real. Las definiciones de la geometra y algunas caractersticas del reactor estn dadas a continuacin en la Tabla 1.

Tabla 1. Caractersticas del reactor anaerobio de flujo ascendente.

Dimetro interno .06 Dimetro interno del cabezal .095 Longitud del reactor (sin cabezal) 1 Densidad inicial de los lodos 1130

Porosidad inicial del lecho 0.45 Altura inicial del manto de lodos .1

La elaboracin del mallado de la geometra del modelo virtual se realiz mediante el uso del software comercial GAMBIT donde se dividi en pequeos dominios computacionales para obtener una malla definida y no estructurada, ya que contiene tanto elementos hexadricos as como tetradricos.

En la Figura 1 se pueden apreciar diferentes planos de la representacin virtual del reactor UASB.

Figura 1. Representacin virtual del reactor UASB.



1592

La Simulacin, es la etapa en la cual se resuelven las ecuaciones que definen el comportamiento del fluido a lo largo de toda la malla. El primer paso, fue especificar el tipo de modelo multifsico que se utiliz de acuerdo con lo descrito en la Tabla 2.

Tabla 2. Especificaciones del modelo multifsico.

Modelo Euleriano-Euleriano Nmero de fases 2

Fase primaria Agua residual Fase secundaria Lodos activados

Tipo de formulacin Implcita Espacio 3D

Algoritmo de solucin Acoplado (basado en la presin) Estado Transitorio

Formulacin del tiempo Implcito de primer orden Formulacin de velocidad Absoluta Estimacin del gradiente Green-Gauss basado en la celda

El modelo Euleriano es el modelo multifsico ms complejo de los que dispone FLUENT permitiendo modelar mezclas de lquidos, gases o slidos en cualquier combinacin. Se resuelve un conjunto de n ecuaciones de balance de cantidad de movimiento y conservacin de masa para cada fase. Esto se consigue mediante la continuidad de la presin entre distintas fases y los diversos intercambios de transferencia de momento entre ellas, tales como: fuerza de arrastre, fuerzas de elevacin, etc.

Tabla 3. Especificaciones de las condiciones de frontera.

Velocidad de entrada del agua residual

Normal a la frontera

0.0 0.000442 0

Velocidad de entrada de los lodos activados

El lechos de lodos en el reactor se carga, por lo tanto ste no es alimentado.

Altura del lecho

Porosidad del lecho de lodos

0 0 0 0.1 0.45

Presin manomtrica a la salida 0



1593

La descripcin del flujo multifsico como interpenetracin continua incorpora el concepto de fraccin volumen, para correlacionar, Las fracciones de volumen representan el espacio ocupado por cada fase, y las leyes de conservacin de la masa y de momento se satisfacen para cada fase individualmente. La derivacin de las ecuaciones de conservacin se pueden llevar a cabo promediando el balance local instantneo para cada una de los fases[5]. En la etapa de post-procesamiento, tambin se utiliz el software FLUENT, y consiste en la visualizacin y anlisis de los datos resultantes de la simulacin. La cantidad de datos obtenidos puede ser enorme por lo que es importante disponer del software y la potencia de clculo adecuados.

Resultados En esta seccin se muestran las simulaciones numricas y anlisis obtenido al modelar un reactor UASB mediante FLUENT bajo el enfoque euleriano multifasico (slido-lquido) mediante la tcnica de descretizacin por volmenes finitos. Se estudi el efecto de la variacin de la velocidad de alimentacin (30, 45, 75 y 105 mL/min) sobre el comportamiento hidrodinmico del mismo. Para la fase slida se utiliz un tamao de partcula constante e igual a 0.35 cm. En la Figura 2, se muestra la distribucin espacial de la fraccin volumtrica de lodos en funcin del tiempo, especficamente el caso donde el caudal de alimentacin del agua residual fue de 75 ml/min, A medida que transcurre el tiempo real de simulacin se puede observar como los lodos activados, en reposo para el tiempo inicial, comienzan a fluidizarse por el flujo de entrada al reactor, presentado una fluidizacin suave, se puede apreciar como los lodos se distribuyen a lo alto del reactor y como la fraccin de lodos es menor en comparacin del fondo del mismo. en la Figura 3, se muestran los perfiles de concentracin en el plano XZ y altura de Y=10 cm. Se observa la distribucin de concentracin de lodos, asimtrica y catica. Donde a medida que transcurre el tiempo real de simulacin, la variacin de concentraciones disminuye, pero an persisten zonas en las cuales el valor mnimo y mximo de la fraccin es notorio, dejando entredicho la concepcin de una dispersin radial uniforme tpicamente consideradas en la mayora de las investigaciones realizadas.

Figura 2. Historia de la distribucin de la fraccin volumtrica de lodos.

Figura 3. Perfiles de concentracin de lodos en el plano XZ a una altura de Y=10 cm, a travs del tiempo.

Se observ que presentan mucha desviacin con respecto al promedio de la fraccin de lodos esto se debe a que los grnulos de lodos se encuentran en movimientos caticos subiendo o bajando, as como la acumulacin de ellos en algunas zonas, teniendo como consecuencia que la concentracin de lodos sea altamente heterognea.



1594

Figura 4. Historia del promedio de la fraccin volumtrica de lodos en el plano XZ a una altura de Y=10 cm, a travs del tiempo.

Figura 5. Fraccin de lodos promedio a un flujo de entrada de 75 mL/min a diferentes tiempos de simulacin .

En la Figura 4 Se observa una gran dispersin en la fraccin de lodos. Esto es posiblemente debido a que los grnulos de lodos que se encuentran en un movimiento catico son acumulados en la vecindad de las paredes del reactor debido a que funcionan como deflectores de los grnulos, y con ello los grnulos se encuentran enrarecidos en el centro del reactor: evidencia de una dispersin radial heterognea de la fraccin de lodos. Para contar con los elementos necesarios para asegurar un estado quasi-estacionario se simul el comportamiento de las fracciones de lodo en funcin de la altura del reactor (Figura 5), tomando en cuenta como uno de los elementos la desviacin estndar, que se presentan en cada concentracin promedio calculada, y el comportamiento que presenta la curva de concentraciones a lo largo del reactor. Es casi imposible asegurar una quasi-estacionaridad a alturas cercanas a la entrada del reactor, ya que ah es donde la naturaleza catica del sistema se hace presente. Para fundamentar este anlisis se realiz la simulacin a diferentes longitudes tiempos, y se observ que la quasi-estacionaridad promedio se alcanza a pocos segundos de operacin, aproximadamente a los 35 segundos.

Figura 6. Tiempo de residencia de un elemento de volumen en el reactor a

una alimentacin de 75 mL/min.



1595

En la Figura 6 se observa la trayectoria que ha seguido un elemento de volumen que ha viajado a travs del seno del reactor, a su vez nos permite apreciar el comportamiento que sigue el patrn de flujo, en ella se evidencia la trayectoria catica que caracteriza este tipo de sistemas multifsico, indicndonos zonas de alta velocidad y la presencia de vrtices, y la presencia de remolinos a micro escala. El tiempo terico de retencin para las condiciones de operacin de 75 mL/min es de 37.67 min, en el grfico se observa que este volumen de fluido tuvo un tiempo de retencin de 2390 segundos equivalente a 39.83 min. Referencias [1] Latif, M.A., Ghufran, R., Wahid, Z.A., Ahmad, A., (2011). Integrated application of upflow anaerobic sludge blanket reactor for the treatment of wastewaters. WaterResearch 45 (16), 4683 - 4699. (2011). [2]Meja J.H, Diseo, construccin y evaluacin de un reactor UASB para el tratamiento de aguas residuales. Lima. Tesis de grado (IngenieroQumico). Facultad de ciencias y tecnologa. (1999). [3]Arroyave D, Gonzlez M, Evaluacin Del Comportamiento Hidrulico Un Reactor UASB Utilizado Para El Tratamiento De Aguas Residuales.Medelln,.Tesis de grado (Ingeniero Qumico)Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Minas.Escuela de Procesos y Energa. (2004). [4] Iza, J., Colleran, E., Paris, J.M. y Wu, M., International workshop on anaerobic treatmente technology for municipal and industrial wastewater: summary paper. Wat. Sci. Tech., 24 (8), 1-16. (1991). [5]. FluentTM (2006b). FLUENT 6.3 UDF ManualR . Fluent-Inc., Lebanon, New Hampshire, USA.



1596

447_n

Documents