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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.

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Transferencia de gases en sistemas de recirculación

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Presentation Transcript

  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. Principios básicos La concentración de saturación del gas ies una función de: • el gas, la temperatura (T) y la salinidad (S) • la presión (P) • el contenido del gas en la "atmósfera" (Xi) • ...

  9. Principios básicos La concentración de saturación del gas ies: 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

  10. Principios básicos - solubilidad de oxígeno FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XO2, fracción por volumen; presión, mmHg; Cs,O2, mg/L. Ref: Colt, J. 1984

  11. Principios básicos - solubilidad: equilibrio entre la fase gaseosa y el agua Fracción molar presión fase gaseosa Temperatura salinidad presión agua

  12. Principios básicos - solubilidad de oxígeno FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XO2, fracción por volumen; presión, mmHg; Cs,O2, mg/L. Ref: Colt, J. 1984

  13. Principios básicos - solubilidad de oxígeno FW=agua 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 FW=agua 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 * presión relativa (gauge) FW=agua 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 CO2 * valor en el 2006 y aumentando... NOAA, 2006. FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XCO2, fracción por volumen; presión, mmHg; Cs,CO2, mg/L. Ref: Weiss, R.F. 1974

  17. 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)

  18. 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)

  19. 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

  20. 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

  21. Principios básicos - fuentes de aire Sopladores de aire (blowers)

  22. Principios básicos - fuentes de oxígeno Oxígeno - generación local - O2 liquido Oxygen Transfer Systems

  23. 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

  24. 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

  25. Transferencia de gases - tasa 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

  26. 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

  27. 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

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

  29. 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

  30. Tubo U Transferencia de gases - equipo

  31. 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

  32. Transferencia de gases - equipo Cono de oxigenación

  33. 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

  34. Transferencia de gases - equipo Aspiración/inyección de oxígeno

  35. 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) • ...

  36. Transferencia de gases - equipo Gas out Columnas de aireación (PCA) Water in Gas in Water out

  37. 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%

  38. Transferencia de gases - equipo Oxigenadores de pérdida hidráulica baja - LHO O2 in off-gas sump tank

  39. 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

  40. Transferencia de gases - equipo CO2 Stripping LHO

  41. 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

  42. Principios básicos - CO2 El sistema carbonato H2CO3*  HCO3– + H+ Ka,1 HCO3– CO3= + H+ Ka,2 donde: [H2CO3*] = [H2CO3] + [CO2] = "CO2 libre"

  43. Principios básicos - CO2 [H2CO3*] = aH2CO3* . CTCO3 o donde: Alkc = [HCO3–] + 2[CO3=] + [OH–] – [H+]

  44. Principios básicos - CO2 lo que significa que: se puede cambiar la concentración de CO2libre cambiando el pH

  45. Principios básicos - CO2 meq/L mmol/L Para agua dulce a 25 °C

  46. Principios básicos - CO2 Se puede reducir su concentración por medio de aireación o aumentando el pH

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