Transferencia de gases en sistemas de recirculaci

1
Transferencia de gases en sistemas de
recirculación

• Raul H. Piedrahita, Ph.D.
• Biological and Agricultural Engineering
• University of California, Davis

2
Temas

• Principios básicos
• Transferencia de gases
• Principios de diseño

3
Principios básicos

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

4
Principios básicos

• La concentración de gases disueltos puede ser el
  factor de calidad de agua limitante en sistemas
  de recirculación (RAS)
• Posibles problemas con el agua de recambio
• Oxígeno (O2)
• Dióxido de carbono (CO2)
• Nitrógeno (N2) y Argon (Ar) (presión de gas
  total, o TGP)
• ...

5
Principios básicos

• La concentración de gases disueltos puede ser el
  factor de calidad de agua limitante en sistemas
  de recirculación (RAS)
• Posibles problemas con el agua de cultivo
• Oxígeno (O2)
• Dióxido de carbono (CO2)

6
Principios básicos

• Oxígeno
• Es consumido por peces y microorganismos
• 0.3-0.5 g O2/g alimento
• Debe reponerse oxigenación o aireación

7
Principios básicos

• Dióxido de carbono
• Es producido por peces y microorganismos
• 0.4-0.7 g CO2 / g alimento (1 mole CO2/mole O2)
• Debe ser reducido control de pH y/o
  desgasificación

8
(No Transcript)
9
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)
• ...

10
Principios básicos

• La concentración de saturación del gas i es

Cs,i concentración de saturación, mg/L Ki
"densidad" del gas, g/L, 1.429 para O2 y 1.977
para CO2 bi coeficiente de Bunsen, L/L-atm Xi
fracción molar en la fase gaseosa PBP
presión barométrica, mmHg Pwv presión de vapor
del agua, mmHg
11
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación XO2 PBP Pwv Cs,O2
Nivel del mar, aire, FW, 15C 0.209 760 12.79 10.072
Nivel del mar, aire, FW, 25C 0.209 760 23.77 8.244
FWagua dulce SW agua de mar. Unidades XO2,
fracción por volumen presión, mmHg Cs,O2, mg/L.
Ref Colt, J. 1984
12
Principios básicos - solubilidad equilibrio
entre la fase gaseosa y el agua
Fracción molar presión
fase gaseosa
Temperatura salinidad presión
agua
13
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación XO2 PBP Pwv Cs,O2
Nivel del mar, aire, FW, 15C 0.209 760 12.79 10.072
Nivel del mar, aire, SW, 15C 0.209 760 12.55 8.129
FWagua dulce SW agua de mar. Unidades XO2,
fracción por volumen presión, mmHg Cs,O2, mg/L.

Ref Colt, J. 1984
14
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación XO2 PBP Pwv Cs,O2
Nivel del mar, aire, FW, 15C 0.209 760 12.79 10.072
1600 m, aire, FW, 15C 0.209 631 12.79 8.328
FWagua dulce SW agua de mar. Unidades XO2,
fracción por volumen presión, mmHg Cs,O2, mg/L.
Ref Colt, J. 1984
15
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación XO2 PBP Pwv Cs,O2
Nivel del mar, aire, FW, 15C 0.209 760 12.79 10.072
Nivel del mar, O2 puro, FW, 15C 1.00 760 12.79 48.19
FWagua dulce SW agua de mar. Unidades XO2,
fracción por volumen presión, mmHg Cs,O2, mg/L.
Ref Colt, J. 1984
16
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación XO2 PBP Pwv Cs,O2
Nivel del mar, aire, FW, 15C 0.209 760 12.79 10.072
1 atm, O2 puro, FW, 15C 1.00 1520 12.79 96.38
presión relativa (gauge)
FWagua dulce SW agua de mar. Unidades XO2,
fracción por volumen presión, mmHg Cs,O2, mg/L.
Ref Colt, J. 1984
17
Principios básicos - solubilidad de CO2
Situación XCO2 PBP Pwv Cs,CO2
Nivel del mar, aire, FW, 15C 0.00038 760 12.79 0.76
Nivel del mar, aire, FW, 25C 0.00038 760 12.79 0.57
valor en el 2006 y aumentando... NOAA, 2006.
FWagua dulce SW agua de mar. Unidades XCO2,
fracción por volumen presión, mmHg Cs,CO2,
mg/L.
Ref Weiss, R.F. 1974
18
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)

19
Principios básicos - sobresaturación

• Sobresaturación puede ser causada por
• un aumento de temperatura (calentamiento del
  agua)
• un aumento de presión (e.g. causada por bombeo)
• Posible problema
• enriquecimiento del gas (e.g. uso de oxígeno
  puro)

20
Principios básicos - sobresaturación

• Sobresaturación puede ser causad por
• un aumento de temperatura (calentamiento del
  agua)
• un aumento de presión (e.g. causado por bombeo)
• enriquecimiento del gas (e.g. uso de oxígeno
  puro)
• Usado para la inyección de oxígeno puro

21
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

22
Principios básicos - fuentes de aire

• Sopladores de aire (blowers)

23
Principios básicos - fuentes de oxígeno

• Oxygen Transfer Systems

Oxígeno - generación local - O2 liquido
24
Principios básicos - fuentes de oxígeno

• 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

25
(No Transcript)
26
Principios básicos - fuentes de oxígeno

• 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

27
(No Transcript)
28
Transferencia de gases - tasa

• Depende de
• la diferencia entre la concentración en el agua
  (Ci) y la concentración de saturación (Cs,i)
• Si Ci gt Cs,i (sobresaturación) el gas i pasa del
  agua a la "atmósfera" desgasificación
• Si Ci lt Cs,i (subsaturación) el gas i pasa de la
  "atmósfera" al agua
• el área de contacto entre el agua y la
  "atmósfera"
• Difusividad turbulencia

29
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

30
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"
• Difusividad turbulencia
• aumentar la turbulencia

31
Transferencia de gases - equipo

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

32
Transferencia de gases - equipo

• Difusores
• muy poco eficientes (eficiencia de transferencia
  normal lt10)
• útiles para oxigenación de emergencia
• a veces se usan con bombas airlift

33
Tubo U
Transferencia de gases - equipo
34
Transferencia de gases - equipo

• Tubo U
• velocidad del agua hacia abajo 2 a 3 m/s
• profundidad usual gt 10 m
• no elimina ni el N2 ni el CO2
• pueden obtenerse concentraciones de oxígeno gtgt 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 lt 25 del flujo de agua

35
Transferencia de gases - equipo
Cono de oxigenación
36
Transferencia de gases - equipo

• Cono de oxigenación
• muy común en Europa
• resistente a sólidos
• pueden obtenerse concentraciones de oxígeno gtgt 40
  mg/L
• la eficiencia de transferencia se acerca al 100
• no elimina ni el N2 ni el CO2

37
Transferencia de gases - equipo

• Aspiración/inyección de oxígeno

38
Transferencia de gases - equipo

• 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)
• ...

39
Transferencia de gases - equipo

• Columnas de aireación (PCA)

Gas out
Water in
Gas in
Water out
40
Transferencia de gases - equipo

• 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

41
Transferencia de gases - equipo

• Oxigenadores de pérdida hidráulica baja - LHO

O2 in
off-gas
sump tank
42
Transferencia de gases - equipo

• 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 (GL) es de 0.5-2
• la eficiencia de transferencia disminuye para
  GLgt2
• "compacto" y puede combinarse con una PCA para
  desgasificación de CO2

43
Transferencia de gases - equipo
CO2 Stripping
LHO
44
(No Transcript)
45
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

46
Principios básicos - CO2

• El sistema carbonato
• H2CO3 ? HCO3 H Ka,1
• HCO3 ? CO3 H Ka,2
• donde H2CO3 H2CO3 CO2 "CO2 libre"

47
Principios básicos - CO2

• H2CO3 aH2CO3 . CTCO3
• o
• donde

Alkc HCO3 2CO3 OH H
48
Principios básicos - CO2
lo que significa que
se puede cambiar la concentración de CO2 libre
cambiando el pH
49
Principios básicos - CO2
Para agua dulce a 25 C
50
Principios básicos - CO2

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

51
Principios básicos - CO2

• Si se reduce por aireación (desgasificación)
• aumenta el pH
• disminuye la concentración de CTCO3
• no cambia la alcalinidad

52
Desgasificación
53
Principios básicos - CO2

• Si se reduce al añadir una base y aumentar el pH
• la aH2CO3 disminuye al aumentar el pH
• la concentración de CTCO3 no cambia
• la alcalinidad aumenta debido a la introducción
  de la base

54
Introducción de una base fuerte (e.g. NaOH)
55
(No Transcript)
56
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

57
Principios de diseño

• 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

58
Principios de diseño

• 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
• 1 kg O2/kg alimento
• cuociente de respiración de 1mol CO2/mol O2

59
Principios de diseño

• 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
• 0.2-0.5 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
• cuociente de respiración de 1mol CO2/mol O2

60
Principios de diseño

• 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
• 0.2-0.5 kg O2/kg alimento
• 1 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

61
Principios de diseño

• 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

62
Principios de diseño

• Oxigenación (gO2/d) y reducción de CO2 (gCO2/d)
  necesarias
• método de tratamiento?
• configuración y sitio en la secuencia de unidades
  de tratamiento
• configuración del sistema
• secuencia
• cálculos preliminares
• detalles

63
Principios de diseño

• 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

64
Principios de diseño

• Oxigenación (gO2/d) y reducción de CO2 (gCO2/d)
  necesarias
• método de tratamiento?
• configuración y sitio en la secuencia de unidades
  de tratamiento
• cálculos preliminares
• detalles
• equipo, diseño, alarmas, sistemas de emergencia

65
Principios de diseño - precauciones

• Use valores altos de GL 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

66
Principios de diseño - precauciones

• Use valores altos de GL para la desgasificación
  y bajos para la oxigenación
• No use aire a presión
• puede causar sobresaturación
• Escoja cuidadosamente las bases teniendo en
  cuenta la química del agua a ser tratada
• Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas
  metabólicas

67
Principios de diseño - precauciones

• Use valores altos de GL para la desgasificación
  y bajos para la oxigenación
• 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

68
Principios de diseño - precauciones

• Use valores altos de GL para la desgasificación
  y bajos para la oxigenación
• 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

69
(No Transcript)
70
Principios de diseño - configuración
O2 añadido y N2 y CO2 removidos del agua de
recambio
Entrada
Salida
O2
N2 y CO2
Útil para añadir O2 y reducir concentraciones
excesivas de N2 y CO2 en el agua de recambio
71
Principios de diseño - configuración
Aumento de O2 y reducción de CO2 en el agua
recirculada
Entrada
Salida
O2
y/o transformación de CO2 debido al uso de bases
Remoción de CO2 por desgasificación
72
Principios de diseño - configuración
o
Entrada
Salida
O2
y/o transformación de CO2 debido al uso de bases
Remoción de CO2 por desgasificación
73
Principios de diseño - configuración
Otro tratamiento
o
Entrada
Salida
O2
y/o transformación de CO2 debido al uso de bases
Remoción de CO2 por desgasificación
74
Principios de diseño - configuración
o
Entrada
Salida
Otro tratamiento
O2
y/o transformación de CO2 debido al uso de bases
Remoción de CO2 por desgasificación
75
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

76
(No Transcript)