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
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)
...
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)
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
Nivel del mar, aire, FW, 25C
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
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
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 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
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 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
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 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
FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XO2, fracción por volumen; presión, mmHg; Cs,O2, mg/L.
Ref: Colt, J. 1984
* presión relativa (gauge)
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
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
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)
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)
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
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
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
Principios básicos - fuentes de oxígeno
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
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: turbulenciaaumentar la turbulencia
Transferencia de gases - tasa
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
Transferencia de gases - equipo
Tubo U
Transferencia de gases - equipo
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
Transferencia de gases - equipo
flow returned toculture tanks
oxygen
pump
downflowbubble
contactor
off-gas vent
Cono de oxigenación
Transferencia de gases - equipo
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
Transferencia de gases - equipo
Aspiración/inyección de oxígeno
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)
...
Transferencia de gases - equipo
Columnas de aireación (PCA)
Water in
Water out
Gas out
Gas in
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%
Transferencia de gases - equipo
oxygenfeed gas
off-gasvent
flow
flowsump tank
O2 in off-gas
Oxigenadores de pérdida hidráulica baja - LHO
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 (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
Transferencia de gases - equipo
LHO
CO2 Stripping
Transferencia de gases - equipo
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"
Principios básicos - CO2
[H2CO3*] = H2CO3* . CTCO3
o
donde:
Alkc = [HCO3–] + 2[CO3
=] + [OH–] – [H+]
[H2CO3*]
1Ka,1
[H]
2Ka,1Ka,2
[H]2
Alkc Kw
[H] [H]
Principios básicos - CO2
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
Principios básicos - CO2
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
Principios básicos - CO2
Se puede reducir su concentración por medio de aireación o aumentando el pH
Principios básicos - CO2
Si se reduce por aireación (desgasificación)•aumenta el pH
•disminuye la concentración de CTCO3
•no cambia la alcalinidad
Principios básicos - CO2
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
Principios básicos - CO2
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Principios de diseño
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
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
Use valores altos de G:L 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
Principios de diseño - precauciones
Use valores altos de G:L 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
Principios de diseño - precauciones
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
Principios de diseño - configuración
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
Principios de diseño - configuración
Remoción de CO2 por desgasificación
y/o transformación de CO2 debido al uso de bases
EntradaSalida
oOtro tratamiento
O2
Principios de diseño - configuración
Remoción de CO2 por desgasificación
y/o transformación de CO2 debido al uso de bases
Entrada
Salida
o
Otro tratamientoO2
Principios de diseño - configuración
Remoción de CO2 por desgasificación
y/o transformación de CO2 debido al uso de bases
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