Formas de operación (2016)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Fundamentos de Ingeniería Ambiental
Año del apunte 2016
Páginas 4
Fecha de subida 11/04/2016
Descargas 2

Vista previa del texto

FORMAS DE OPERACIÓN.
Un concepto importante a la hora de llevar a cabo un proceso de tratamiento es el de forma de operación: las instalaciones pueden trabajar por cargas o de forma continua.
En las operaciones discontinuas, intermitentes, periódicas o por cargas, se carga inicialmente el sistema con una cantidad de materia, que se mantiene en el interior de la instalación hasta que se obtiene la transformación deseada. Seguidamente se descarga y se hacen las operaciones adecuadas de mantenimiento del equipo para dejarlo en condiciones de iniciar una nueva operación.
La figura muestra la variación en el tiempo de la variable representativa del proceso (concentración del agente contaminado, por ejemplo), con las dos características principales de este tipo de operación: 1. La concentración de contaminantes varía en función del tiempo.
2. La operación discontinua está constituida por una serie de ciclos idénticos (carga, transformación y descarga).
Una explotación en continuo, como la que se ha visto con el ejemplo del sistema de tratado de aguas residuales, el influente que se tiene que tratar entra de forma continua y se obtiene un afluente tratado también de forma continua, de forma que la variable que caracteriza la transformación (como puede ser la concentración de un determinado contaminante), una vez alcanzado el estado estacionario, es independiente del tiempo, aunque según algunos casos, puede depender de las coordenadas geométricas, es decir, no ser constante en el espacio.
Un ejemplo característico de proceso discontinuo y continuo es el tratamiento biológico de la materia orgánica en agua residual.
El proceso continuo está constituido por dos elementos: el reactor de flujo de pistón (donde se produce la degradación de la materia orgánica por parte de los microorganismos), y el sedimentador, donde se separa la biomasa generada del agua residual tratada.
En esta configuración el agua residual se introduce de forma continua en el sistema y salen dos corrientes continuos: el agua tratada, por encima del decantador, i el fango biológico (contaminante orgánico concentrado), por el fondo.
La concentración de materia orgánica en disolución va a disminuir a medida que avanza la reacción biológica a lo largo del reactor, es decir, es función de la distancia recorrida, pero se mantiene constante a lo largo del tiempo cuando el sistema llega a estado estacionario.
Este mismo proceso se puede desarrollar de forma intermitente mediante eso que se conoce como SBR (sequencing batch reactor), en el que un mismo tanque actúa de reactor y de decantador. En este caso la transformación se produce a lo largo del tiempo y no del espacio.
Tal y como se observa en la figura, se carga el agua residual en el tanque, donde hay un volumen inicial, con biomasa; una vez lleno, o a medida que se llena, se mantiene la mezcla en suspensión y se suministra aire para que la biomasa pueda crecer a partir de la degradación de la materia orgánica. Cuando la concentración del contaminante orgánico en disolución es suficientemente baja, se detiene la agitación y se mantiene el sistema en reposo de forma que la biomasa decanta y se acumula en el fondo. Finalmente, se descarga el agua tratada, por un lado, y una fracción del concentrado, por otro lado, (la purga de fango en exceso). En este caso se tiene inicialmente un volumen de agua residual y, pasado un tiempo, el volumen de agua tratada más un pequeño volumen de contaminante concentrado.
Como se puede observar, en el sistema continuo se trata el agua residual las 24 horas del día; los tiempos muertos de la operación intermitente disminuyen la cantidad de material tratado por unidad de volumen del reactor.
RÉGIMEN ESTACIONARIO Y NO ESTACIONARIO: Se dice que un sistema se encuentra en estado estacionario cuando sus propiedades se mantienen constantes e invariables en el tiempo y en cualquier punto del sistema, aunque pueden ser diferentes de un punto a otro. Por ejemplo, en el reactor de flujo de pistón que se ha considerado anteriormente, la conversión aumenta desde la entrada hasta la salida, de manera que la concentración de materia orgánica en disolución disminuye a media que el agua avanza por el reactor, pero es constante en cualquier parte de una determinada sección transversal: no hay variación en el tiempo y el sistema funciona en estado estacionario. Entra un caudal constante de agua contaminada (concentración constante de materia orgánica), que se mezcla con la biomasa que procede de la recirculación y, a medida que circula por el reactor, disminuye su concentración, pero es la misma en cada punto a lo largo del tiempo.
Cuando las propiedades del sistema varían con el tiempo en un determinado tiempo del sistema, se dice que el sistema está en estado no estacionario. Este es el caso del segundo ejemplo que se ha considerado, en el cual la degradación de la materia orgánica se lleva a cabo en un reactor de tanque agitado, que funciona por cargas, discontinuo.
Todo proceso discontinuo o intermitente es, por definición, no estacionario. Existe una variación de las propiedades con el tiempo. Asimismo, un proceso en continuo puede funcionar en régimen estacionario o en régimen no estacionario. En particular, todas las operaciones puestas en funcionamiento en un sistema en continuo que se pretende hacer funcionar en estado estacionario constituyen un caso de funcionamiento claramente no estacionario. Por otro lado, una operación en régimen estacionario es siempre continua, no puede ser por cargas.
En la práctica es my difícil mantener un sistema continuo en estado estacionario. Tal como se han definido, en los sistema de depuración suelen haber variaciones considerables de los parámetros del material que se trata: por ejemplo, en el caso de la aguas residuales urbanas hay perfiles diarios y estacionarios de caudal y de concentración de contaminantes que hacen que el sistema no pueda llegar a un estado estacionario propiamente dicho.
INCONVENIENTES Y VENTAJAS DE LOS DOS TIPOS DE OPERACIÓN CONSIDERADAS: El hecho de que en la operación intermitente el proceso sea cíclico y discontinuo, implica que, a demás del tratamiento de materiales, sigue también de forma cíclica el funcionamiento de la instalación y la actividad de los operarios. Por tanto, las características esenciales de esta forma de operación son: - Elevada necesidad de mano de obra.
- Tiempos muertos de operación (periodos en los cuales no se obtiene rendimiento de la instalación).
En las operaciones en continuo, los materiales entran de forma continua al sistema y están en la instalación el tiempo necesario para que se produzca la transformación diseñada. Así, las transformaciones de los materiales, el funcionamiento de la instalación y la actividad del hombre que opera en continuo son: - Baja necesidad de mano de obra.
- No existen tiempo muerto en el funcionamiento de la instalación.
De acuerdo con estas características se puede concluir que las ventajas del proceso en continuo son: - Facilita la automatización, la cual cosa ahorra costes de mano de obra.
- Permite el aprovechamiento de la energía (calor o frio) mediante el uso de intercambiadores de calor.
- La productividad es más alta: se obtiene una mayor cantidad de material tratado por unidad de instalación.
Las desventajas del sistema en continuo son: - Las variaciones importantes de calidad y/o cantidad de los corrientes que se han de tratar provocan inestabilidades al dificultar operaciones en estado estacionario.
- La posada en funcionamiento de un sistema en continuo es costoso, por lo que la instalación se para lo menos posible. Esto implica que los equipos se tiene que construir con los mejores materiales y, en consecuencia, los costes de inversión son altos.
- La versatilidad de los sistemas en continuo es muy limitada: se diseñan para determinado funcionamiento, de forma que cualquier cambio produce problemas. La ventaja principal de los sistemas en discontinuo es que pueden ser muy versátiles.
Como conclusión se puede afirmar que en términos general el sistema en continuo es recomendable cuanto más grande sea el volumen que se ha de tratar y cuando las características del corriente que se tiene que tratar sean lo más constantes posibles.
Igualmente, cuando el material sea limitado o haya grandes variaciones del sistema que hay que tratar, resultará más adecuado un sistema en discontinuo.
...