Optimización del proceso de aireación de una E.D.A.R. mediante el análisis de la fuerza de arrastre sobre burbujas aisladas ascendiendo en un flujo turbulento
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Títol
Optimización del proceso de aireación de una E.D.A.R. mediante el análisis de la fuerza de arrastre sobre burbujas aisladas ascendiendo en un flujo turbulentoAutoria
Tutor/Supervisor
Martínez Cuenca, Raúl; Chiva Vicent, SergioTutor/Supervisor; Universitat.Departament
Universitat Jaume I. Departament d'Enginyeria Mecànica i ConstruccióData de publicació
2015Editor
Universitat Jaume IResum
Los flujos multifásicos son flujos compuestos por dos o más fluidos, como aceite y aire.
Estos flujos tienen múltiples aplicaciones, por lo que aparecen en una gran variedad de sistemas
industriales. Un ejemplo de ... [+]
Los flujos multifásicos son flujos compuestos por dos o más fluidos, como aceite y aire.
Estos flujos tienen múltiples aplicaciones, por lo que aparecen en una gran variedad de sistemas
industriales. Un ejemplo de ello son los mezcladores industriales, los cuales además
de conseguir mezclas homogéneas de distintos componentes, buscan la fabricación de nuevas
sustancias y emulsiones mediante determinados procesos químicos. En este caso, los
flujos resultantes pueden estar compuestos por diversas sustancias, pudiendo incluso hallar
mezclas de líquidos con sólidos.
Entre los flujos multifásicos, el flujo bifásico líquido-gas es una de las combinaciones más
complejas. Este tipo de flujo es ampliamente estudiado debido al especial interés por el
conocimiento de su comportamiento así como por su caracterización. Un ejemplo de ello
son las centrales nucleares y las plantas de concentración solar, dado que ambas basan la
generación de energía en la ebullición de agua mediante ciclos termodinámicos tipo Brayton
o Rankine y donde las fases consisten en agua líquida y vapor de agua.
De este modo, el estudio y comprensión de los flujos multifásicos es necesario tanto para el
diseño, comprensión y optimización de sistemas industriales.
El presente trabajo se centra en el sistema de aireación de la estación depuradora La Unión,
situada en Murcia. Este sistema se encuentra situado en la zona aeróbica del reactor biológico,
donde existe flujo bifásico, ya que los difusores situados en el fondo del tanque producen
burbujas de aire encargadas de oxigenar las aguas residuales. Esta parte de la planta es
muy importante ya que de ella dependen parámetros tanto económicos como de calidad del
efluente.
Por un lado, la cantidad de caudal de aire que suministran los difusores influye en el grado
de oxigenación de las aguas y por tanto en la eliminación de la materia orgánica disuelta
en ella. Por otro lado, el consumo eléctrico del compresor (soplante) que proporciona este
caudal de aire a los difusores, representa hasta un 60% del consumo eléctrico total de la
planta. Esto hace que se preste especial atención a este sistema y que por tanto se necesiten
desarrollar diferentes propuestas con el objetivo de optimizarlo.
Una de las principales cuestiones que se plantean los ingenieros que se encargan del funcionamiento
de este tipo de instalaciones es la de si es mejor mover el flujo que pasa por
los difusores o dejarlo prácticamente en reposo (siempre es necesario moverlo para evitar
la sedimentación de los contaminantes). En general, parece que es mejor mover dicho flujo,
pero hay algunas instalaciones en las que ocurre justo lo contrario. Por ello, en este trabajo se propone estudiar la influencia de la velocidad del flujo en el proceso de aireación por
difusores e identificar si hay alguna razón física que explique variaciones en la eficiencia del
proceso. En caso positivo, se propondrá alguna directriz que permita la optimización de esta
etapa.
Dado que la fuerza de arrastre sobre las burbujas determina su velocidad de ascenso, se
propone realizar un estudio de la velocidad terminal de las burbujas en flujos que no estén en
reposo. Dado que la viscosidad juega un papel importante en las correlaciones de velocidad
terminal existentes, y que la turbulencia del flujo se comporta como una fuente adicional de
viscosidad, se tratará de correlacionar la veocidad terminal de burbujas individuales con la
turbulencia y velocidad del flujo. Si el aumento de esta turbulencia efectivamente frena las
burbujas, entonces será conveniente mover el flujo principal a fin de hacer que las burbujas
estén más tiempo en contacto con el flujo para aumentar la cantidad de oxígeno aportado.
Por tanto, el principal objetivo del presente trabajo consiste en optimizar el sistema de aireación
de la depuradora previamente mencionada a partir de la maximización del tiempo
de contacto de las burbujas con el flujo principal, con el fin de reducir los costes energéticos
(al aumentar el tiempo de contacto podría disminuirse el caudal de gas a inyectar) sin
disminuir la oxigenación de las aguas residuales.
Para ello, se va a proceder a la creación de una pequeña instalación compuesta por una
columna rectangular situada verticalmente por la que fluye agua en sentido descendente
(Sección 3.3). En ésta, se inyectará gas que fluirá hacia arriba. Trabajando en la zona de velocidades
en la que trabaja el flujo del tanque de la E.D.A.R. se recreará la turbulencia que
se produce en ésta y se podrá analizar cómo influye la velocidad del agua en la velocidad
terminal de las burbujas (Sección 3.4). Para ello, se tomarán imágenes de las burbujas en la
columna de la instalación y mediante técnicas de procesado de imagen se obtendrá el coeficiente
de arrastre de las burbujas bajo distintos regímenes de flujo. Posteriormente, se determinará
si la turbulencia del flujo principal influye o no en el coeficiente de arrastre sobre
las burbujas aisladas(Sección 3.6). Una vez se han obtenido los resultados, se analizarán las
propuestas anteriormente planteadas, concluyendo si se puede optimizar económicamente
el sistema de aireación.(Sección 4). [-]
Paraules clau / Matèries
Grau en Enginyeria en Tecnologies Industrials | Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales | Bachelor's Degree in Industrial Technology | Flujos multifásicos | Sistema de aireación | Estación depuradora La Unión | Estación Depuradora de Aguas Residuales | Sewage disposal plants | Ventilació | Aigües residuals | Plantes de tractamen
Descripció
Treball Final de Grau en en Tecnologies Industrials. Codi: ET1040. Curs: 2014/2015
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