transferencia de gases en sistemas de recirculación

Transferencia de gases en sistemas de recirculación

Raul H. Piedrahita, Ph.D.Biological and Agricultural Engineering

University of California, Davis

Temas

Principios básicos Transferencia de gases Principios de diseño

Principios básicos

La concentración de gases disueltos puede ser el factor de calidad de agua limitante en sistemas de recirculación (RAS)

Principios básicos


Posibles problemas con el agua de recambio: Oxígeno (O2)

Dióxido de carbono (CO2)

Nitrógeno (N2) y Argon (Ar) (presión de gas total, o TGP)

...

Principios básicos


Posibles problemas con el agua de cultivo: Oxígeno (O2)

Dióxido de carbono (CO2)

Principios básicos

OxígenoEs consumido por peces y microorganismos

0.3-0.5 g O2/g alimento

Debe reponerse: oxigenación o aireación

Principios básicos

Dióxido de carbonoEs producido por peces y microorganismos0.4-0.7 g CO2 / g alimento (1 mole CO2/mole O2)

Debe ser reducido: control de pH y/o desgasificación

Principios básicos

La concentración de saturación del gas i es una función de: el gas, la temperatura (T) y la salinidad

(S) la presión (P) el contenido del gas en la "atmósfera"

(Xi) ... i2i1i,s XPfS,TfC

Principios básicos

La concentración de saturación del gas i es:

760PP

XK1000C wvBPiiii,s

Cs,i = concentración de saturación, mg/L; Ki = "densidad" del gas, g/L, 1.429 para O2 y 1.977 para CO2; = coeficiente de Bunsen, L/L-atm; Xi = fracción molar en la fase gaseosa; PBP = presión barométrica, mmHg; Pwv = presión de vapor del agua,

mmHg

Principios básicos - solubilidad de oxígeno

Situación

XO2 PBP Pwv Cs,O2

Nivel del mar, aire, FW, 15C

0.209 760 12.79 10.072


0.209 760 23.77 8.244

FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XO2, fracción por volumen; presión, mmHg; Cs,O2, mg/L.

Ref: Colt, J. 1984

Principios básicos - solubilidad: equilibrio entre la fase gaseosa y el agua

Temperaturasalinidadpresión

Fracción molarpresión fase gaseosa

agua

Situación

XO2 PBP Pwv Cs,O2


0.209 760 12.79 10.072

Nivel del mar, aire, SW, 15C

0.209 760 12.55 8.129


Ref: Colt, J. 1984


Situación

XO2 PBP Pwv Cs,O2


0.209 760 12.79 10.072

1600 m, aire, FW, 15C

0.209 631 12.79 8.328


Ref: Colt, J. 1984


Situación

XO2 PBP Pwv Cs,O2


0.209 760 12.79 10.072

Nivel del mar, O2

puro, FW, 15C

1.00 760 12.79 48.19


Ref: Colt, J. 1984


Situación

XO2 PBP Pwv Cs,O2


0.209 760 12.79 10.072

1 atm*, O2

puro, FW, 15C

1.00 1520 12.79 96.38


Ref: Colt, J. 1984

* presión relativa (gauge)


Situación

XCO2 PBP Pwv Cs,CO2


0.00038*

760 12.79 0.76


0.00038 760 12.79 0.57

FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XCO2, fracción por volumen; presión, mmHg; Cs,CO2, mg/L.

Ref: Weiss, R.F. 1974

* valor en el 2006 y aumentando... NOAA, 2006.

Principios básicos - solubilidad de CO2

Principios básicos - sobresaturación

Sobresaturación puede ser causada por: un aumento de temperatura

(calentamiento del agua) Posible problema

un aumento de presión (e.g. causado por bombeo)

enriquecimiento del gas (e.g. uso de oxígeno puro)


Sobresaturación puede ser causada por: un aumento de temperatura (calentamiento

del agua)

un aumento de presión (e.g. causada por bombeo) Posible problema



Sobresaturación puede ser causad por: un aumento de temperatura (calentamiento del

agua) un aumento de presión (e.g. causado por bombeo)


Usado para la inyección de oxígeno puro

Principios básicos - O2 puro

O2 puro en el gas aumenta la solubilidad de O2 en el agua

Normalmente uno puede tener densidades de peces mas altas que si se usa aire

Hay que oxigenar menos agua para añadir una cantidad dada de oxígeno

El CO2 puede acumularse cuando se usa O2 puro

Principios básicos - fuentes de aire

Sopladores de aire (blowers)

Principios básicos - fuentes de oxígeno

Oxygen Transfer SystemsOxígeno - generación local

- O2 liquido

O2 puro o enriquecido puede ser producido localmente usando equipos de absorción por cambios de presión (pressure swing absorption PSA) : pureza del 85 al 95% se necesita una unidad de PSA

•secadora de aire•compresor para producir aire a 90 a 150 psi•generador de emergencia

consume ≈ 1.1 kWh por kg O2 producido


O2 puro o enriquecido puede comprarse en forma liquida (LOX): pureza del 98 al 99% la inversión y el riesgo son menores que con PSA el precio del LOX depende mucho de las

condiciones locales ya que el transporte es un factor muy importante del costo

hay oxígeno disponible aun si falta la electricidad


Depende de: la diferencia entre la concentración en

el agua (Ci) y la concentración de saturación (Cs,i)•Si Ci > Cs,i (sobresaturación): el gas i

pasa del agua a la "atmósfera": desgasificación

•Si Ci < Cs,i (subsaturación): el gas i pasa de la "atmósfera" al agua

el área de contacto entre el agua y la "atmósfera" Difusividad: turbulencia

Transferencia de gases - tasa

Depende de: la diferencia entre la concentración en el agua (Ci) y

la concentración de saturación (Cs,i)

el área de contacto entre el agua y la "atmósfera"aumenta esparciendo el agua en el aire o

creando pequeñas burbujas Difusividad: turbulencia


Depende de: la diferencia entre la concentración en el agua (Ci) y

la concentración de saturación (Cs,i) el área de contacto entre el agua y la "atmósfera"

Difusividad: turbulenciaaumentar la turbulencia


Fase líquida continua (burbujas en el agua) Difusores de burbujas Tubos U Conos de oxigenación Aspiradores/inyectores de oxígeno ...

Transferencia de gases - equipo

Difusores muy poco eficientes (eficiencia de

transferencia normal <10%) útiles para oxigenación de emergencia a veces se usan con bombas airlift


Tubo U


Tubo U velocidad del agua hacia abajo: 2 a 3 m/s profundidad usual > 10 m no elimina ni el N2 ni el CO2

pueden obtenerse concentraciones de oxígeno >> 40 mg/L

eficiencia de transferencia ~ 50-80 % el costo de bombeo es bajo debido a una baja

pérdida hidráulica el costo de construcción depende del sitio el flujo de gas debe ser < 25 % del flujo de agua


flow returned toculture tanks

oxygen

pump

downflowbubble

contactor

off-gas vent

Cono de oxigenación


Cono de oxigenación muy común en Europa resistente a sólidos pueden obtenerse concentraciones de

oxígeno >> 40 mg/L la eficiencia de transferencia se

acerca al 100 % no elimina ni el N2 ni el CO2


Aspiración/inyección de oxígeno


Fase gaseosa continua (gotas de agua en el aire) columnas de aireación con o sin relleno (PCA) oxigenadores de secciones múltiples y

pérdida hidráulica baja (Multi-staged low head oxygenators, LHO)

...


Columnas de aireación (PCA)

Water in

Water out

Gas out

Gas in


Columnas de aireación con o sin relleno comportamiento predecible pueden ser resistentes a sólidos pueden usarse con aire u oxígeno pueden eliminar el N2 y el CO2 si se usan

con aire pueden ser presurizadas la eficiencia de transferencia puede ser

de cerca al 100%


oxygenfeed gas

off-gasvent

flow

flowsump tank

O2 in off-gas

Oxigenadores de pérdida hidráulica baja - LHO


LHO puede ser muy eficaces para añadir O2 con una

caída de agua pequeña remueve N2 (pero no CO2) mientras añade O2

la relación entre el volumen de flujo de oxígeno y el de agua (G:L) es de 0.5-2%

la eficiencia de transferencia disminuye para G:L>2%

"compacto" y puede combinarse con una PCA para desgasificación de CO2


LHO

CO2 Stripping


Principios básicos - CO2

El CO2 hace parte del sistema carbonato y su concentración depende de:: alcalinidad (Alk: meq/L, mg/L as CaCO3) carbón carbonato total (carbón inórganic

disuelto) (CTCO3: mmol/L) pH temperatura salinidad

El sistema carbonato

H2CO3* HCO3– + H+ Ka,1

HCO3– CO3

= + H+ Ka,2

donde: [H2CO3*] [H2CO3] [CO2] = "CO2 libre"


[H2CO3*] = H2CO3* . CTCO3

o

donde:

Alkc = [HCO3–] + 2[CO3

=] + [OH–] – [H+]

[H2CO3*]

1Ka,1

[H]

2Ka,1Ka,2

[H]2

Alkc Kw

[H] [H]


0.00.20.40.60.81.0

5 6 7 8 9pH

H

2C

O3

*

lo que significa que:

se puede cambiar la concentración de CO2 libre cambiando el pH


876

0

25

50

75

100

0.250.5

1.0

2.0

3.04.0

0.250.51.02.03.04.0

CA

RB

ON

DIO

XID

E (

mg

/L)

ALKALINITY

CtCO3 mmol/L

meq/L

Para agua dulce a 25 °C


Se puede reducir su concentración por medio de aireación o aumentando el pH


Si se reduce por aireación (desgasificación)•aumenta el pH

•disminuye la concentración de CTCO3

•no cambia la alcalinidad


Desgasificación

8760

25

50

75

100

0.250.5

1.02.03.04.0

0.250.51.02.03.04.0

pH

CA

RB

ON

DIO

XID

E (

mg

/L)

Alkalinity

CtCO3

meq/L

mmol/L

La alcalinidad no cambia

Si se reduce al añadir una base y aumentar el pH:•la H2CO3*disminuye al aumentar el pH

•la concentración de CTCO3 no cambia

•la alcalinidad aumenta debido a la introducción de la base


Introducción de una base fuerte (e.g. NaOH):

8760

25

50

75

100

0.250.5

1.02.03.04.0

0.250.51.02.03.04.0

pH

CA

RB

ON

DIO

XID

E (

mg

/L)

Alkalinity

CtCO3

meq/L

mmol/L

El CTCO3 no cambia

Principios de diseño

Oxigenación (gO2/d) y reducción de CO2 (gCO2/d) necesarias, dependen de: alimento (galimento/gpez/d) fisiología (gO2/galimento, mgO2/L, gCO2/galimento,

mgCO2/L) balances de masa, tasa de recambio del agua,

otros procesos método de tratamiento? configuración y sitio en la secuencia de unidades de tratamiento cálculos preliminares detalles


Fisiología Datos sobre el consumo de O2 y la

producción de CO2 pueden ser poco comunes, especialmente para peces en condiciones de cultivo si no existe información detallada, use valores “genéricos”,

cómo:• 0.2-0.3 kg O2/kg alimento

• 1 kg O2/kg alimento

• cuociente de respiración de 1mol CO2/mol O2


Fisiología Datos sobre el consumo de O2 y la producción de CO2

pueden ser poco comunes, especialmente para peces en condiciones de cultivo si no existe información detallada, use valores

“genéricos”, cómo:• 0.3-0.5 kg O2/kg alimento si los sólidos son

retirados y la demanda de oxígeno del biofiltro es satisfecha de otra manera





“genéricos”, cómo:• 0.2-0.5 kg O2/kg alimento

• hasta 1 kg O2/kg alimento si los sólidos se acumulan en el sistema y la demanda de oxígeno del biofiltro no se suministra de otra manera





“genéricos”, cómo: • 0.2-0.5 kg O2/kg alimento


•valores de consumo de oxígeno y un cuociente de respiración de 1 mol de CO2 producido/mol de O2 consumido, o 1.4 kg de CO2/kg de O2


Oxigenación (gO2/d) y reducción de CO2 (gCO2/d) necesarias

método de tratamiento? para O2: aireación, oxigenación, ...

para CO2: desgasificación, uso de base configuración y sitio en la secuencia de unidades

de tratamiento cálculos preliminares detalles



método de tratamiento?

configuración y sitio en la secuencia de unidades de tratamiento configuración del sistema secuencia

cálculos preliminares detalles


Oxigenación (gO2/d) y reduccion de CO2 (gCO2/d) necesarias

método de tratamiento? configuración y sitio en la secuencia de unidades de

tratamiento

cálculos preliminares O2: caudales, concentraciones, consumo de

oxígeno, ... CO2: caudales, concentraciones, consumo de

productos químicos, ventilación, ... detalles



método de tratamiento? configuración y sitio en la secuencia de

unidades de tratamiento cálculos preliminares

detalles equipo, diseño, alarmas, sistemas de

emergencia


Use valores altos de G:L para la desgasificación y bajos para la oxigenación G: caudal de gas (L/min) L: caudal de agua (L/min)

No use aire a presión Escoja cuidadosamente las bases teniendo en

cuenta la química del agua a ser tratada Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas

metabólicas

Principios de diseño - precauciones


Use valores altos de G:L para la desgasificación y bajos para la oxigenación

No use aire a presiónpuede causar sobresaturación

Escoja cuidadosamente las bases teniendo en cuenta la química del agua a ser tratada

Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas metabólicas


No use aire a presión

Escoja cuidadosamente las bases teniendo en cuenta la química del agua a ser tratada cambios de pH cambios de alcalinidad y carbón carbonato

total Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas metabólicas



No use aire a presión Escoja cuidadosamente las bases teniendo en cuenta

la química del agua a ser tratada

Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas metabólicas diseñe para tasas promedio e incluya un factor de

seguridad diseñe para responder a los cambios de las tasas diseñe para las tasas pico


Principios de diseño - configuración

Entrada

N2 y CO2

Salida

O2 añadido y N2 y CO2 removidos del agua de recambio

Útil para añadir O2 y reducir concentraciones

excesivas de N2 y CO2 en el agua de recambio

O2


Entrada

Remoción de CO2 por desgasificación

Salida

Aumento de O2 y reducción de CO2 en el agua recirculada

y/o transformación de CO2 debido al uso de bases

O2

EntradaSalida

o

O2




EntradaSalida

oOtro tratamiento

O2




Entrada

Salida

o

Otro tratamientoO2




Retos

Fisiología tasas metabólicas concentraciones "seguras", especialmente para el

CO2

consecuencia de condiciones no-óptimas Tecnología

reducir costos mejorar las tecnologías de control de CO2

mejorar los métodos para medir la concentración de CO2

transferencia de gases en sistemas de recirculación

Documents

agua limitante

agua dulce sw

agua de recambio

agua de cultivo

mmhg principios bsicos

mmhg cs

solubilidad de oxgenofw

o2 puro