ESTUDIO HIDRODINÁMICO EN UN REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO ASCENDENTE A TRAVÉS DE DINÁMICA DE FLUIDOS COMPUTACIONAL
Marcos Daniel González Llanesa, Oscar Martín Hernández Calderónb, Eleazar Máximo Escamilla Silvaa
a
Departamento de Ingeniería Química, Instituto Tecnológico de Celaya Av. Tecnológico y A. García Cubas S/N. Celaya, Guanajuato, 38010, México. ([email protected]).
b
Universidad Autónoma de Sinaloa, Facultad de Ciencias Químico - Biológicas, Ciudad Universitaria, Culiacán, Sin, 80010, México.
Resumen
En la actualidad la sociedad en general ha dirigido su atención 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 reducción, y en mucho de los casos eliminación de contaminantes orgánicos 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 diseño y la operación de estos sistemas es una causa frecuente en cuanto a la eficiencia de los mismos. En este proyecto de investigación se simuló el comportamiento por medio de FLUENT®, un software comercial basado en el método de volúmenes finitos, el cual nos permitió identificar la tendencia del flujo, así como los perfiles de velocidades y concentración dentro del reactor. La evaluación del comportamiento hidrodinámico mostró la presencia de flujo dual (flujo pistón-mezcla completa), zonas muertas y presencia de cortos circuitos; adicionalmente, la simulación del reactor indicó un elevado grado de dispersión en cuanto a las concentraciones de lodos, presentando con esto zonas donde la concentración de lodos fue casi nula.
Introducción
La tecnología de la digestión anaerobia se encuentra firmemente establecida a nivel mundial, y puede ser adaptable a las características del residual a tratar y el lugar donde se quiera implementar. El tratamiento anaeróbico es también una opción atractiva para el tratamiento biológico de aguas residuales municipales [1], así como residuos ganaderos y agrícolas, lo cual tiene numerosas ventajas, incluyendo la generación de un producto de utilidad energética (es decir, el biogás), además de que no requiere energía para la aireación, y una reducción del costo de tratamiento de lodos ya que la producción de estos se reduce considerablemente en comparación de un sistema biológico aerobio.
La operación de éstos se basa en la actividad autorregulada de diferentes grupos de bacterias que degradan la materia orgánica y se desarrollan de manera continua, formando un lodo biológicamente 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 remoción de material orgánico biodegradable [2,3].
Para garantizar una buena operación de este tipo de reactores, es necesario evaluar su comportamiento hidrodinámico con el fin de identificar el tipo de flujo y los problemas que lo afectan. El correcto diseño del sistema de distribución del efluente es un aspecto extremadamente importante para los reactores anaerobios de lecho fluidificado [4].
Metodología
El estudio aerodinámico mediante CFD tiene unos pasos a seguir necesarios: el pre-procesado, la simulación y el post-procesado.
El pre-procesado consiste básicamente en preparar nuestro problema para poder realizar los cálculos necesarios y obtener los resultados. Consta principalmente de tres partes: definición de la geometría, el mallado y la definición de las condiciones de frontera.
Partiendo de los planos del prototipo se elaboró un modelo virtual de la región de interés del reactor anaerobio de flujo ascendente a una escala de 1:1 con respecto al modelo real. Las definiciones de la geometría y algunas características del reactor están dadas a continuación en la Tabla 1.
Tabla 1. Características del reactor anaerobio de flujo ascendente.
Diámetro interno .06
Diámetro 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 elaboración del mallado de la geometría del modelo virtual se realizó mediante el uso del software comercial GAMBIT® donde se dividió en pequeños dominios computacionales para obtener una malla definida y no estructurada, ya que contiene tanto elementos hexaédricos así como tetraédricos.
En la Figura 1 se pueden apreciar diferentes planos de la representación virtual del reactor UASB.
La Simulación, 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 multifásico que se utilizó de acuerdo con lo descrito en la Tabla 2.
Tabla 2. Especificaciones del modelo multifásico.
Modelo Euleriano-Euleriano
Número de fases 2
Fase primaria Agua residual
Fase secundaria Lodos activados
Tipo de formulación Implícita
Espacio 3D
Algoritmo de solución Acoplado (basado en la presión)
Estado Transitorio
Formulación del tiempo Implícito de primer orden
Formulación de velocidad Absoluta
Estimación del gradiente Green-Gauss basado en la celda
El modelo Euleriano es el modelo multifásico más complejo de los que dispone FLUENT® permitiendo modelar mezclas de líquidos, gases o sólidos en cualquier combinación. Se resuelve un conjunto de n ecuaciones de balance de cantidad de movimiento y conservación de masa para cada fase.
Esto se consigue mediante la continuidad de la presión entre distintas fases y los diversos intercambios de transferencia de momento entre ellas, tales como: fuerza de arrastre, fuerzas de elevación, 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 éste no es alimentado.
Altura del lecho Porosidad del lecho de lodos
0 0 0
0.1 0.45
La descripción del flujo multifásico como interpenetración continua incorpora el concepto de fracción volumen, para correlacionar, Las fracciones de volumen representan el espacio ocupado por cada fase, y las leyes de conservación de la masa y de momento se satisfacen para cada fase individualmente. La derivación de las ecuaciones de conservación se pueden llevar a cabo promediando el balance local instantáneo para cada una de los fases[5].
En la etapa de post-procesamiento, también se utilizó el software FLUENT®, y consiste en la visualización y análisis de los datos resultantes de la simulación. La cantidad de datos obtenidos puede ser enorme por lo que es importante disponer del software y la potencia de cálculo adecuados.
Resultados
En esta sección se muestran las simulaciones numéricas y análisis obtenido al modelar un reactor UASB mediante FLUENT bajo el enfoque euleriano multifasico (sólido-líquido) mediante la técnica de descretización por volúmenes finitos. Se estudió el efecto de la variación de la velocidad de alimentación (30, 45, 75 y 105 mL/min) sobre el comportamiento hidrodinámico del mismo. Para la fase sólida se utilizó un tamaño de partícula constante e igual a 0.35 cm.
En la Figura 2, se muestra la distribución espacial de la fracción volumétrica de lodos en función del tiempo, específicamente el caso donde el caudal de alimentación del agua residual fue de 75 ml/min, A medida que transcurre el tiempo real de simulación 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 fluidización suave, se puede apreciar como los lodos se distribuyen a lo alto del reactor y como la fracción de lodos es menor en comparación del fondo del mismo.
en la Figura 3, se muestran los perfiles de concentración en el plano XZ y altura de Y=10 cm. Se observa la distribución de concentración de lodos, asimétrica y caótica. Donde a medida que transcurre el tiempo real de simulación, la variación de concentraciones disminuye, pero aún persisten zonas en las cuales el valor mínimo y máximo de la fracción es notorio, dejando entredicho la concepción de una dispersión radial uniforme típicamente consideradas en la mayoría de las investigaciones realizadas.
Figura 2. Historia de la distribución de la fracción volumétrica de lodos.
Figura 3. Perfiles de concentración de lodos en el plano XZ a una altura de Y=10 cm, a través del tiempo.
Se observó que presentan mucha desviación con respecto al promedio de la fracción de lodos esto se debe a que los gránulos de lodos se encuentran en movimientos caóticos subiendo o bajando, así como la acumulación de ellos en algunas zonas, teniendo como consecuencia que la concentración de lodos sea altamente heterogénea.
Figura 4. Historia del promedio de la fracción volumétrica de lodos en el plano XZ a una altura de Y=10 cm, a través del tiempo.
Figura 5. Fracción de lodos promedio a un flujo de entrada de 75 mL/min a diferentes tiempos de simulación
.
En la Figura 4 Se observa una gran dispersión en la fracción de lodos. Esto es posiblemente debido a que los gránulos de lodos que se encuentran en un movimiento caótico son acumulados en la vecindad de las paredes del reactor debido a que funcionan como deflectores de los gránulos, y con ello los gránulos se encuentran enrarecidos en el centro del reactor: evidencia de una dispersión radial heterogénea de la fracción de lodos.
Para contar con los elementos necesarios para asegurar un estado quasi-estacionario se simuló el comportamiento de las fracciones de lodo en función de la altura del reactor (Figura 5), tomando en cuenta como uno de los elementos la desviación estándar, que se presentan en cada concentración 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 ahí es donde la naturaleza caótica del sistema se hace presente. Para fundamentar este análisis se realizó la simulación a diferentes longitudes tiempos, y se observó que la quasi-estacionaridad promedio se alcanza a pocos segundos de operación, aproximadamente a los 35 segundos.
Figura 6. Tiempo de residencia de un elemento de volumen en el reactor a una alimentación de 75 mL/min.
En la Figura 6 se observa la trayectoria que ha seguido un elemento de volumen que ha viajado a través del seno del reactor, a su vez nos permite apreciar el comportamiento que sigue el patrón de flujo, en ella se evidencia la trayectoria caótica que caracteriza este tipo de sistemas multifásico, indicándonos zonas de alta velocidad y la presencia de vórtices, y la presencia de remolinos a micro escala.
El tiempo teórico de retención para las condiciones de operación de 75 mL/min es de 37.67 min, en el gráfico se observa que este volumen de fluido tuvo un tiempo de retención de 2390 segundos equivalente a 39.83 min.
Referencias
[1] Latif, M.A., Ghufran, R., Wahid, Z.A., Ahmad, A., (2011). ³,QWHJUDWHGDSSOLFDWLRQRI XSIORZDQDHURELFVOXGJHEODQNHW UHDFWRUIRUWKHWUHDWPHQWRIZDVWHZDWHUV´WaterResearch 45 (16), 4683 - 4699. (2011).
[2@0HMtD-+³Diseño, construcción y eYDOXDFLyQGHXQUHDFWRU8$6%SDUDHOWUDWDPLHQWRGHDJXDVUHVLGXDOHV´. Lima. Tesis de grado (IngenieroQuímico). Facultad de ciencias y tecnología. (1999).
[3]Arroyave D, González M, ³(YDOXDFLyQ'HO&RPSRUWDPLHQWR+LGUiXOLFR8Q5HDFWRU8$6%8WLOL]DGR3DUDEl Tratamiento De Aguas Residuales´0HGHOOtQTesis de grado (Ingeniero Químico)Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Minas.Escuela de Procesos y Energía. (2004).
[4] Iza, J., Colleran, E., Paris, J.M. y Wu, M., ³,QWHUQDWLRQDOZRUNVKRSRQDQDHURELc treatmente technology for municipal and LQGXVWULDOZDVWHZDWHU VXPPDU\SDSHU´Wat. Sci. Tech., 24 (8), 1-16. (1991).
