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Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Ingeniería Química
Análisis y modelamiento en CFD del mezclado de un bioreactor anaeróbico con membrana (AnMBR) industrial. Proyecto de Grado
Jorge Eduardo López Gutiérrez
1
Tabla de Contenido Tabla de Contenido ............................................................................................................................. 1
Lista de Figuras .................................................................................................................................... 3
Abstract ................................................................................................ ¡Error! Marcador no definido.
1. Introducción ................................................................................................................................ 4
1.1. Proceso ................................................................................................................................ 5
1.2. Reactor ................................................................................................................................ 6
1.3. CFD ...................................................................................................................................... 7
1.4. Estado del Arte .................................................................................................................... 7
2. Metodología ................................................................................................................................ 8
2.1. Reactor Actual ..................................................................................................................... 8
2.2. Modificaciones Geométricas ............................................................................................... 8
2.3. Otras Modificaciones .......................................................................................................... 8
3. Métodos ...................................................................................................................................... 8
3.1. Mallado ............................................................................................................................... 9
3.2. Modelos ............................................................................................................................... 9
4. Resultados y Discusión .............................................................................................................. 11
3.3. Análisis Teórico del Fluido ................................................................................................. 11
Densidad, 𝜌 ............................................................................................................................... 11
Calor especifico, 𝐶𝑝 ................................................................................................................... 12
Viscosidad 𝜇 .............................................................................................................................. 12
3.4. Análisis del Reactor Actual ................................................................................................ 13
3.5. Análisis del reactor sin agitador ........................................................................................ 15
3.6. Modificación 1: Cambio en la configuración y el ángulo de las entradas. ........................ 16
3.7. Modificación 2: Implementación de bafles al interior del sistema. .................................. 19
3.8. Modificación 3: Entrada al Interior del Tanque ................................................................ 21
3.9. Modificación 4: Entrada al Interior del Reactor con dos set de bafles. ............................ 23
3.10. Análisis multifásico del reactor. .................................................................................... 25
5. Conclusiones y trabajo a futuro ................................................................................................ 27
Bibliografía ........................................................................................................................................ 27
Anexos ............................................................................................................................................... 30
A. Reactor Actual ....................................................................................................................... 30
B. Reactor sin Agitador .............................................................................................................. 30
2
C. Reactor con las entradas Inclinadas ...................................................................................... 30
D. Reactor con bafle .................................................................................................................. 31
E. Reactor con entrada interior ................................................................................................. 33
F. Reactor con entrada interior y 2 bafles. ................................................................................ 33
3
Lista de Figuras
Figura 1. Comparación entre proceso AMBR y AnMBR. Tomado y modificado de Veolia Water [2]. 5
Figura 2. Proceso Memthane®, el cual es base de estudio. Tomado y modificado de Veolia Water
[3]. ....................................................................................................................................................... 6
Figura 3. Modelos de mallado utilizados en las simulaciones. ........................................................... 9
Figura 4. Datos experimentales para la viscosidad ........................................................................... 12
Figura 5. Geometría del reactor actual, medidas dadas en milímetros. ........................................... 13
Figura 6. Resultados de velocidad en el reactor actual. (a) Magnitud y distribución. (b) Líneas de
Corriente. .......................................................................................................................................... 14
Figura 7. Resultados de velocidad en el reactor sin agitador. (a) Magnitud y distribución. (b) Líneas
de Corriente. ..................................................................................................................................... 15
Figura 8. Resultado de temperatura en el reactor sin agitador. ....................................................... 16
Figura 9. Entradas tangenciales. ....................................................................................................... 17
Figura 10. Entradas tangenciales e inclinadas. .................................................................................. 17
Figura 11. Resultados de velocidad en el reactor con entradas inclinadas. (a) Magnitud y
distribución. (b) Líneas de Corriente. ................................................................................................ 18
Figura 12. Resultados de temperatura en el reactor con entradas inclinadas. ................................ 19
Figura 13. Geometría del volumen de agua a simular, con los bafles .............................................. 20
Figura 14. Resultados de velocidad en el reactor con bafles. (a) Magnitud y distribución. (b) Líneas
de Corriente. ..................................................................................................................................... 20
Figura 15. Resultados de temperatura en el reactor con bafles. ...................................................... 21
Figura 16. Resultados de velocidad para el reactor con entrada interior. (a) Magnitud de la
velocidad. (b) Líneas de corriente de la velocidad. ........................................................................... 22
Figura 17. Resultados de temperatura para el reactor con la entrada interior. ............................... 22
Figura 18. Resultados de velocidad para el tanque con 2 bafles y entrada interior. (a) Magnitud de
velocidad. (b) Líneas de corriente de velocidad. ............................................................................... 23
Figura 19. Resultados para la temperatura del reactor con 2 bafles y la entrada interior. .............. 24
Figura 20. Test de malla para los resultados obtenidos. ................................................................... 24
Figura 21. Resultados de velocidad (a) y temperatura (b) para el estudio Multifásico. ................... 25
Figura 22. Resultados de distribución de sólidos en el tanque. ........................................................ 26
4
Resumen El objetivo de este estudio fue proponer un sistema de mezclado por bombeo en un bioreactor
anaeróbico de membrana de tipo industrial sin la utilización de elementos mecánicos (ej. agitador).
El estudio se llevó a cabo mediante una serie de simulaciones en CFD las cuales toman en cuenta
una serie de modificaciones a parámetros del bioreactor para evaluar el comportamiento del
mezclado, los resultados muestran que para el sistema estudiado se pueden obtener reducción de
zonas muertas y la ausencia de corto circuito en la totalidad del reactor, abriendo la discusión para
modificaciones que eviten el gasto energético asociado a la agitación mecánica. Se logró alcanzar
buenos niveles de mezclado evidenciados en la distribución de la temperatura y el promedio de la
misma.
Palabras claves: CFD, bioreactor, distribución de velocidades, mezclado.
1. Introducción Los procesos de biorreacción con membrana son aquellos que mantienen un ambiente
biológicamente activo donde se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o
sustancias químicamente activas. Este proceso es utilizado usualmente en el tratamiento de aguas
residuales con bajos requerimientos energéticos comparados con métodos tradicionales (e.g
reactores de tipo CSTR), teniendo etapas de degradación de materia y separación de residuos. En
estos procesos, se obtiene una corriente de agua tratada y una corriente de biogás, que en la
mayoría de procesos anaerobios, es gas metano que puede ser reutilizado en procesos posteriores
[1].
Dichos procesos son clasificados de acuerdo con la configuración del bioreactor y las
condiciones en las que se lleva a cabo el proceso. Los bioreactores de membrana (MBR, por sus
siglas en inglés “Membrane Bio-Reactor”) aerobios, son aquellos que en la etapa de degradación
cuentan con presencia de oxígeno necesario para el crecimiento de microorganismos encargados
de la degradación. Los biorreactores con membrana anaerobios (AnMBR, por sus siglas en inglés
“Anaerobic Membrane Bio-Reactor”), son procesos llevados a cabo en ausencia de oxígeno,
buscando bajos requerimientos energéticos disminuyendo eficacia en el tratamiento del agua.
Recientemente y gracias al desarrollo tecnológico que ha tenido los reactores anaerobios, por
su bajo costo energético y la alta capacidad de tratamiento de aguas, se han creado procesos que
logran ser más eficientes que el proceso aerobio tradicional. Un ejemplo de esto es el Memthane®,
equipo construido por la compañía Veolia Water (Francia) y que es la base de este estudio. Este,
tiene gran eficiencia tratando aguas con índice de grasa y aceite (FOG, por sus siglas en inglés “Fat,
Oil and Grase”) y el índice de cadenas de ácidos grasos (LCFA, por sus siglas en inglés “Long Chain
Fatty Acids”), generando efluentes con pocos sólidos suspendidos y una disminución hasta del 80%
en la demanda química de oxígeno (DQO), lo que evita o reduce la implementación de
postratamientos [2]; además reduce significativamente la producción de lodos de desechos, como
es mostrado en la Figura 1.
5
( 𝑎 ) ( 𝑏 )
Figura 1. Comparación entre proceso AMBR y AnMBR. Tomado y modificado de Veolia Water [2].
Mediante el acoplamiento de membranas este proceso logra altos niveles de retención de
sólidos en un menor volumen, y en especial tiene índices de digestión mayores a métodos
tradicionales como reactores CSTR con mayor generación de biogás y por ende mayor producción
energética. Para este proceso, por cada kg de COD removido se pueden llegar a producir 3,8 kWh
de energía [3].
1.1. Proceso Este consta de dos etapas principales:
1. Etapa de Reacción
Esta etapa es el centro de estudio de este proyecto. En esta etapa se degrada la materia orgánica
presente en el agua gracias a un grupo de microorganismos que llevan a cavo un gran número de
reacciones bioquímicas, cuya supervivencia depende de parámetros que deben ser controlados.
Temperatura, pH y condiciones de la alimentación son algunos de estos parámetros a controlar [4].
2. Etapa de separación.
En esta etapa las membranas implementadas separan desde sólidos en suspensión hasta
material disuelto en el agua o virus y bacterias. Para aguas con índices altos FOG y DQO, se pueden
utilizan membranas de ultrafiltración organizadas en flujo cruzado. Esto hace sencilla la operación y
no se necesita recirculación de gas para mantener un sistema presurizado. Dadas las características
del proceso y el diseño del tanque, se obtiene un bajo ensuciamiento de dichas membranas [3].
6
El esquema del proceso Memthane® se presenta en la Figura 2.
Figura 2. Proceso Memthane®, el cual es base de estudio. Tomado y modificado de Veolia Water [3].
1.2. Reactor El reactor es un tanque cilíndrico vertical de 22 m de alto por 20 m de diámetro en donde el
nivel del agua dentro de este llega a 15 m, es decir, tiene un volumen correspondiente a 4.712 𝑚3.
Cuenta con dos entradas de líquido, dos salidas del mismo y una salida de biogás en la parte superior
de este. Las entradas corresponden al ingreso normal de flujo del proceso (agua a tratar) y a una
porción de agua tratada recirculada, utilizada principalmente para calentar el reactor y lograr que
se mantenga entre 34 y 38°C, temperatura óptima del proceso.
Dado el tamaño del reactor y los requerimientos de este, es necesario tener un buen sistema
de mezclado que asegure la correcta distribución de velocidad, temperatura, pH, entre otros, para
que de esta manera se pueda asegurar el buen desempeño de los microorganismos presentes. El
proceso actual cuenta con un sistema de mezclado mecánico que consta de un impeler tipo Plenty
con motor de 11 kW de potencia [5]. El tamaño del agitador y sus características implican un gran
costo energético que no necesariamente es indispensable en el proceso. Si se puede obtener un
sistema que no se encuentre sobre mezclado (como el actual) y al mismo tiempo tenga un correcto
índice (distribución de velocidad) de este sin la utilización de sistemas mecánicos, se reducirían
significativamente los costos asociados al proceso. Actualmente el costo energético es de 1,15
EUR/kWh (3.074 COP/kWh) en el lugar donde se encuentra ubicado el reactor, lo que significa un
costo de operación (solamente se tiene en cuenta costos de operación relacionados al agitador, no
se tiene en cuenta variables como costos por calefacción o por controlabilidad) de 10.074 EUR/mes
(26’932.965 COP/mes), si se asume operación continua.
7
1.3. CFD Para un correcto estudio de los fenómenos hidrodinámicos involucrados en el AnMBR (no se va
a tener en cuenta fenómenos bioquímicos dado que no es el objetivo de este estudio), se
implementaron herramientas computacionales robustas que brindan una buena aproximación del
sistema [6]. Los recientes desarrollos de softwares de Mecánica de Fluidos Computacional (CFD, por
sus siglas en inglés “Computational Fluid Dynamics”) cuentan con modelos de ecuaciones de
transporte (masa, energía y momentum), de viscosidad (ley de potencias, ley de potencias cruzada,
etc.), turbulencia (𝜅 − 𝜀, 𝜅 − 𝜔) y multifásicos (Euleriano, Lagrangiano, elementos discretos), que
acoplándolos de la mejor manera brindan un resultado coherente con respecto a la realidad del
sistema [7]. El modelado mediante CFD tiene varias ventajas comparado con técnicas
experimentales pues permite un entendimiento total de la geometría y del fenómeno analizado,
además, gracias a la cantidad de modelos y configuraciones posibles, se puede tener un gran
número de condiciones de operación a analizar sin tener que llevar a cabo un experimento piloto
del sistema [8]. Sin embargo, la discretización de la geometría y la implementación de métodos
numéricos, introducen errores en los resultados obtenidos que de no ser analizados con cuidado
pueden llevar a conclusiones erróneas. Dichas fallas pueden ser reducidas al aumentar el tiempo
computacional. Es por esto que se debe llegar a un equilibrio entre las suposiciones realizadas y el
detalle requerido del sistema [6].
1.4. Estado del Arte A pesar que los AnMBR han sido objeto de estudio en los últimos años, una cantidad mínima de
dichos trabajos se enfoca en el mezclado sin la utilización de un elemento mecánico. Se pueden
tener dos enfoques a la hora de afrontar los AnMBR; a nivel bioquímico o de flujo de fluidos.
Inicialmente los equipos de Rutniak [9] y Vevikar [10] realizaron experimentos comparativos
entre CFD y sistemas piloto con trazadores, para validar los resultados obtenidos a nivel de
hidrodinámica. El éxito de estos estudios abrió la puerta a nuevas investigaciones y nuevos enfoques
centrados en distintas direcciones, tomando como base los resultados coherentes obtenidos
mediante simulaciones CFD.
A nivel de mezclado en el tanque de bioreacción, Latha [11] analizó el mezclado generado por
la producción de biogás, encontrando que una pequeña variación de la viscosidad influye en el
mezclado generando zonas muertas en el tanque. Terashima [12] por otra parte, realizó un modelo
de mezclado monofásico de un reactor, obteniendo una vez más que la clave del mezclado recae en
el modelo de viscosidad elegido y los coeficientes de correlación encontrados. Por último, Wu [13]
analizó el mezclado obtenido mediante la introducción de un elemento mecánico y comparó los
resultados obtenidos a diferentes velocidades del eje, obteniendo una distribución de velocidad de
rotación sugerida para este tipo de sistemas.
Con respecto a la integración entre el agua a tratar y el biogás generado, Wu [14, 15] y Keshtkar
[16] realizaron modelos 2D y 3D de la transferencia de masa dentro del sistema y los acoplaron a
modelos de transferencia de calor y cinéticas de reacción.
8
A continuación se muestra una tabla con el resumen de los trabajos realizados previamente.
Tabla 1. Estado del arte en estudios relacionados. Modificado de [17].
Enfoque Referencia Modelo Estudio
Mezclado
Latha [11] Euler-Lagrange Mezclado generado por la generación de biogás.
Terashima [12] Monofásico Análisis CFD del mezclado del reactor.
Wu [13] Euler-Euler Análisis CFD del mezclado del reactor.
Acoplamiento
Wu [16] Euler-Euler Simulación 3D del reactor.
Wu [15] Euler-Lagrange Simulación de la interacción del biogás y el fluido desde un enfoque no newtoniano.
Wu [14] Euler-Euler Integración entre transferencia de masa, transferencia de calor, cinética de reacción.
2. Metodología
2.1. Reactor Actual Con base en la información recolectada del proceso, se realizó un estudio teórico del reactor, el
cual consistió en un análisis del mezclado actual. A partir de este punto se tomó como punto de
referencia el estado actual para futuras modificaciones. Se realizó una caracterización del fluido,
con el fin de entender y plantear correctamente los fenómenos asociados al proceso. Esto se realizó
para suponer lo menos posible y acercarse a la realidad del sistema.
2.2. Modificaciones Geométricas Se parte del estudio del reactor sin el agitador modificando la geometría interna del tanque y
las entradas del mismo en busca de una turbulencia mayor en el sistema. En este punto, no se
cambiaron parámetros como velocidades de entrada o temperatura, sino que los ajustes
consistieron en la variación e inclusión de elementos que afectan sólo la geometría del sistema. Las
modificaciones realizadas se hicieron teniendo en cuenta la facilidad en la aplicación de estas al
sistema real.
2.3. Otras Modificaciones Una vez determinada la distribución geométrica que logra un alto índice de mezclado, se
modificaron parámetros como velocidades de entrada, caudales, etc...
3. Métodos Para generar buenos resultados, es necesario una acertada selección de modelos de solución.
Estos modelos son aquellos que se resuelven mediante la herramienta computacional.
9
3.1. Mallado Al ser el mallado la descripción matemática de la geometría por analizar [18], la selección del
tipo de mallado a realizar es fundamental a la hora de obtener resultados coherentes, ya que de
este depende la discretización de la geometría. Para las simulaciones realizadas, se utilizaron dos
tipos de mallado que combinados logran una buena aproximación a la solución continua de las
ecuaciones. El modelo “prism layer”, es el que se encarga de generar una malla especial en sitios
donde se debe resolver problemas con sub-capa límite viscosa. Conforme a los requerimientos del
problema, se seleccionan más o menos capas dependiendo del Wall y+, la cual es una medida
adimensional que ilustra la distancia de la capa límite y el número de elementos de malla necesarios
para resolver el problema correctamente [19]. También se utilizó un mallado poliédrico, que gracias
a su forma y tasa de crecimiento logra resultados similares a los de un mallado de tipo tetraédrico
teniendo cerca de la mitad de elementos [20]. La combinación de estos dos tipos de malla se
muestra en la Figura 3, la cual corresponde a una de las entradas del reactor a estudiar.
Figura 3. Modelos de mallado utilizados en las simulaciones.
3.2. Modelos Los modelos seleccionados son aquellos que definen las ecuaciones a solucionar en el mallado
ya realizado. Los modelos seleccionados para las simulaciones fueron:
Estado estacionario.
Densidad polinómica. Se aplicó porque para este sistema no se va a asumir una densidad
constante ante cambios de temperatura.
Segregated Flow. Indica la manera como resuelve las ecuaciones. Este modelo soluciona
cada ecuación de componente de velocidad y la de presión de manera separada. La unión
entre las ecuaciones de momento y continuidad se realiza mediante un modelo
predictor/corrector. La base de modelo se describe mediante una forma integral de las
ecuaciones de Navier-Stokes para continuidad y momentum, mostrada en la 𝐸𝑐. 1.
10
𝜕
𝜕𝑡∫ 𝜌𝜒𝑣𝑑𝑉
𝑉
+ ∮ 𝜌𝑣⨂(𝑣 − 𝑣𝑔) ∙ 𝑑𝑎𝐴
= − ∮ 𝜌𝐼 ∙ 𝑑𝑎 + ∮ 𝑇 ∙ 𝑑𝑎 + ∫ (𝑓𝑟 + 𝑓𝑔 + 𝑓𝑝 + 𝑓𝑢 + 𝑓𝑤 + 𝑓𝐿)𝑑𝑉𝑉𝐴𝐴
𝐸𝑐. 1
Los términos del lado izquierdo de la igualdad corresponden al dependiente del tiempo y al
de flujo convectivo. El lado derecho de la igualdad presenta los gradientes de presión,
esfuerzos y los tensores viscosos (solucionados mediante el modelo de turbulencia
seleccionado) [18]. Para la solución de esta base, se separan las contribuciones de velocidad
y de presión, obteniendo un sistema más suave para su resolución numérica, donde el
modelo de transporte de velocidad está dado por la 𝐸𝑐. 2, como:
𝜕
𝜕𝑡(𝜌𝑥𝑣𝑉)𝑜 + ∑[𝑣𝜌(𝑣 − 𝑣𝑔) ∙ 𝑎]
𝑓= − ∑(𝜌𝐼 ∙ 𝑎)𝑓 + ∑ 𝑇 ∙ 𝑎
𝑓𝑓𝑓
𝐸𝑐. 2
donde se tienen términos dependendientes del tiempo, esfuerzos y flujos convectivos. Se
agrega el modelo de intercambio de calor para que esta ecuación sea tenida en cuenta en
la solución, el cual utiliza un algoritmo simple de solución que consiste en inicializar,
solucionar y remplazar variables [18]. Este modelo energético está descrito en la 𝐸𝑐. 3, y
para una misma notación se presenta de forma integral como:
𝑑
𝑑𝑡∫ 𝜌𝐸𝑑𝑉 + ∮ [𝜌𝐻(𝑣 − 𝑣𝑔) + 𝑣𝑔𝑝] ∙ 𝑑𝑎 = − ∮ 𝑞′′ ∙ 𝑑𝑎
∙𝐴𝑉
+ ∮ 𝑇 ∙ 𝑣𝑑𝑎 +∙
∫ 𝑓 ∙ 𝑣𝑑𝑉∙∙
+ ∫ 𝑠𝑢𝑑𝑉∙∙
𝐸𝑐. 3
donde se tiene contribuciones de energía total (𝐸), entalpia total (𝐻), flujo de calor,
tensores y vector velocidad. Las ecuaciones 𝐸𝑐. 1, 2 𝑦 3 deben ser planteadas de forma
discreta alrededor de un volumen de control 𝑉𝑜, y de esta manera poder ser solucionadas
mediante el método de volúmenes finitos [18]. Dado que las ecuaciones se presentan de
manera residual, es fácil apreciar criterios de convergencia para cada ecuación, y criterio de
parada en términos de iteraciones.
Turbulencia k- 𝜀. El modelo consta de dos ecuaciones 𝐸𝑐. 4 𝑦 5 en donde las ecuaciones de
trasporte son solucionadas en términos de la energía cinética turbulenta (TKE, por sus siglas
en inglés) y la disipación de esta. Este modelo acoplado con RANS (Reynolds-Average-
Navier-Stokes) utiliza el concepto de viscosidad turbulenta para resolver los esfuerzos en
función de los flujos en el sistema [18, 21]. La ecuación que describe este modelo es:
𝑑
𝑑𝑡∫ 𝜌𝑘𝑑𝑉 + ∫ 𝜌𝑘(𝑣 − 𝑣𝑔)𝑑𝐴
𝐴𝑉
= ∫ (𝜇 +𝜇𝑡
𝜎𝑘) ∇𝑘 𝑑𝐴 + ∫ [𝑓𝑐𝐺𝑘 + 𝐺𝑏 − 𝜌((𝜀 − 𝜀𝑜) + 𝛾𝑀) + 𝑆𝑘]𝑑𝑉
𝑉𝐴
𝐸𝑐. 4
11
𝑑
𝑑𝑡∫ 𝜌𝜀𝑑𝑉 + ∫ 𝜌𝜀(𝑣 − 𝑣𝑔)𝑑𝐴
𝐴𝑉
= ∫ (𝜇 +𝜇𝑡
𝜎𝜀) ∇𝜀
𝐴
𝑑𝐴
+ ∫ [𝑓𝑐𝐶𝜀1𝑆𝜀 +
𝜀
𝑘(𝐶𝜀1
𝐶𝜀3𝐺𝑏) −
𝜀
𝑘 + √𝜐𝜀𝐶𝜀2
𝜌(𝜀 − 𝜀𝑜) + 𝑆𝜀] 𝑑𝑉𝑉
𝐸𝑐. 5
Ecuaciones que se resuelven para calcular el término de disipación de la energía 𝜀, y el término
de energía cinética turbulenta 𝑘 [18].
Modelo multifásico Lagrangiano. Modelo seleccionado para el estudio de la interacción de
las fases en el sistema (líquida para el agua y sólida para los lodos presentes en el agua).
Este modelo soluciona las ecuaciones de movimiento para una representación de la fase
dispersa a medida que se mueve dentro de la fase continua. Para este caso, se tiene una
sola fase continua (agua) que lleva consigo una pequeña contribución volumétrica de la fase
discreta (sólida). Este modelo en particular funciona bajo una suposición de estado cuasi
estable, es decir, que para la solución de las ecuaciones de transporte no se tiene en cuenta
el término que depende del tiempo, pero para cada iteración se realiza un seguimiento de
cada partícula de la fase dispersa en un intervalo de tiempo definido.
4. Resultados y Discusión Para tener un correcto entendimiento del mezclado del fluido en el reactor se tuvo en cuenta la
magnitud y dirección de la velocidad del agua dentro del tanque, con el fin de entender el
movimiento del fluido dentro del tanque, y la distribución de temperatura dentro del mismo; esto
es importante porque en el reactor se tiene microorganismos que son sensibles a los cambios
bruscos de temperatura y una buena distribución de temperatura lograría una mejor eficacia en el
tratamiento del agua.
4.1. Análisis Teórico del Fluido El fluido, como ya fue mencionado, es el agua a tratar mezclada con la biomasa, la cual se
denomina lodo. Para el análisis, algunos parámetros son similares a los del agua, pero con sólidos
en suspensión.
Densidad, 𝜌 La densidad del fluido, está dada por un polinomio en función de la temperatura independiente
del comportamiento reológico del mismo y está dado por la 𝐸𝑐. 6:
𝜌 [𝑘𝑔
𝑚3] = 776,17 + 1,80396 𝑇 − 0,0034589 𝑇2 𝐸𝑐. 6
Donde la temperatura está en grados Kelvin. Esta relación es válida para rangos de temperatura
entre 273,15 𝐾 y 373,15 𝐾 [22]. Es importante notar que los datos experimentales son obtenidos
a una temperatura promedio de 35 °𝐶.
12
Calor especifico, 𝐶𝑝
Al igual que la densidad, el calor específico está en función de la temperatura y es particular
para el agua a tratar. Esta está dada por la 𝐸𝑐. 7:
𝐶𝑝 [𝐽
𝑘𝑔 𝐾] = 546013,4 − 9570,82 𝑇 + 70,49 𝑇2 − 0,2741 𝑇3 + 6,131𝑒−4𝑇4
− 7,237𝑒−7𝑇5 + 3,561𝑒−10𝑇6 𝐸𝑐. 7
El rango de temperatura de esta ecuación es el mismo que el anterior [22].
Viscosidad 𝜇 Para el análisis de lodos la viscosidad no es tan sencilla como un polinomio en función de la
temperatura. Como el sistema de agua a tratar es multifásico, cada fase presente tiene una
influencia significativa sobre la viscosidad, en especial los sólidos disueltos.
Los lodos presentaron una concentración de sólidos disueltos de 20 𝑔/𝐿 lo que genera un
cambio de la viscosidad en término del esfuerzo realizado al fluido, como se muestra en los datos
experimentales recogidos en la Figura 4.
Figura 4. Datos experimentales para la viscosidad
Dado estos datos se modela la viscosidad de los lodos con una ley de potencia dada por la 𝐸𝑐. 8:
𝜂 = 𝜅�̇�𝑛−1 𝐸𝑐. 8
Donde 𝜂 corresponde a la viscosidad en [𝑃𝑎 𝑠], 𝜅 es un factor de consistencia en [𝑃𝑎 𝑠𝑛−1], �̇�
corresponde al esfuerzo de cizalla en [1/𝑠] y 𝑛 es el factor de ley de potencia. Para este caso en
particular la 𝐸𝑐. 9 describe el comportamiento de la viscosidad:
𝜂 = 0,2546𝛾−0.724 𝐸𝑐. 9
13
Estos valores obtenidos de la regresión, en especial el factor 𝑛, indican que los lodos tienen un
comportamiento pseudoplástico, es decir, su viscosidad disminuye a medida que el esfuerzo
aumenta [23].
4.2. Análisis del Reactor Actual Como ya fue mencionado, el punto de partida para las simulaciones es el reactor actual. Para
esta simulación se realizó la geometría en el software Inventor Professional® con base en la
descripción de los fabricantes del reactor. Puede haber alguna diferencia entre el reactor simulado
y el real; esto se debe a que no se contó con planos de diseño reales o modelos 3D. También es
importante notar que dado que se realizó un estudio sobre el movimiento del fluido sólo se tiene la
geometría de éste, mas no del reactor en su totalidad.
Figura 5. Geometría del reactor actual, medidas dadas en milímetros.
Las dos entradas al reactor (entrada de agua a tratar y entrada de reciclo) se encuentran en la
parte inferior del mismo ubicadas de manera perpendicular al reactor, como es comúnmente
encontrado en la industria. La entrada de reciclo es aquella que se encuentra más abajo; esto se
debe a que al ser la entrada con mayor temperatura, el fluido por gradientes de temperatura
tenderá a subir por la columna de fluido calentando la mayor cantidad de fluido a su paso. Teniendo
en cuenta el tipo de mallado y los modelos seleccionados se llevó a cabo la simulación. Para estas
simulaciones en particular se tomó como criterio de parada las residuales del sistema
(representación gráfica y numérica que cuantifica el grado de satisfacción de la discretización de
cada ecuación gracias a tener las ecuaciones de forma residual), el promedio de velocidad y de
temperatura en el sistema tanto gráfico como numérico.
14
La Figura 6 (a) muestra la magnitud de la velocidad dentro del tanque y la Figura 6 (b) las líneas
de corriente y la magnitud de estas. En este caso el agitador que se encuentra girando ha 200 𝑅𝑃𝑀,
eleva la velocidad del flujo de 2,2 𝑚/𝑠, velocidad de entrada, hasta un promedio de 38 𝑚/𝑠 (valor
obtenido de un reporte de velocidad, Figura. A-1). Con la velocidad y dirección de entrada se
observa que el vórtice generado por el agitador no se encuentra en el centro del tanque, y como no
se tienen bafles, los bordes del tanque no cuentan con un buen mezclado, (Figura 6 b), en las líneas
de corriente de velocidad para el reactor agitado. Esos resultados son la base de comparación para
las siguientes modificaciones, pero según el fabricante, el sistema se encuentra sobre mezclado.
Comparando los resultados de velocidad con reactores similares como los reactores de cama de
lodo expandida (EGSB por sus siglas en inglés “Expanded granular sludge bed”) y reactores de
recirculación interna, todos estos métodos anaerobios de tratamiento de aguas residuales
diferentes a métodos tradicionales, los cuales tienen velocidades que oscilan entre 5,5 × 10−3 y
0.1 × 10−1 𝑚/𝑠, se observa que el reactor base de estudio cuenta con velocidades altas para estos
reactores y esto confirma la afirmación del fabricante de un sistema sobre mezclado. Es importante
notar que la configuración de estos reactores es diferente a la configuración del reactor estudiado,
pero dado que el principio es el mismo, las velocidades promedio de estos reactores son valores a
los que se buscaron llegar con las modificaciones.
( 𝑎 )
( 𝑏 ) Figura 6. Resultados de velocidad en el reactor actual. (a) Magnitud y distribución. (b) Líneas de Corriente.
15
4.3. Análisis del reactor sin agitador El estudio del reactor sin el agitador da una idea del comportamiento del sistema bajo ninguna
influencia física, y da pie a las ideas que pueden lograr un buen mezclado. Este sistema es
considerablemente más sencillo que el anterior, ya que la ausencia del agitador reduce la
complejidad tanto de la discretización (para el caso anterior era necesario un mallado fino en los
alrededores del impeler), como en las ecuaciones a solucionar.
El tamaño de la malla y las ecuaciones a solucionar permanecieron constantes con el fin de
poder realizar una correcta comparación de resultados. La Figura 7 muestra, una vez más, la
magnitud de la velocidad y las líneas de corriente del flujo.
( 𝑎 )
( 𝑏 ) Figura 7. Resultados de velocidad en el reactor sin agitador. (a) Magnitud y distribución. (b) Líneas de Corriente.
Es evidente que en este sistema los lodos no tienen mezclado alguno. Con excepción de los
niveles de los puntos de inyección y la pared derecha del tanque, las zonas muertas dominan el
sistema y se tienen velocidades aproximadamente de cero. Este es un claro ejemplo de corto circuito
en un sistema que requiere ser mezclado. La velocidad promedio en el volumen de líquido es de
5,33 × 10−2 𝑚/𝑠 (Figura. B-1).
16
La Figura 8 muestra la distribución de la temperatura en el tanque lograda por la entrada de
reciclo caliente.
Figura 8. Resultado de temperatura en el reactor sin agitador.
Los resultados de la magnitud de la velocidad mostrados en la Figura 7 (a) concuerdan con los
resultados obtenidos para la temperatura. Teniendo en cuenta que no se tiene mezclado alguno, si
no que el fluido entra al tanque y asciende sin perturbación, la corriente caliente realiza lo mismo,
mostrando un aumento de temperatura cercano a la entrada de reciclo, y un poco más arriba; esto
es causado por la diferencia de temperatura que hace que el fluido ascienda hasta que alcanza el
equilibrio térmico, que en este caso es cerca a la mitad del tanque. Los resultados mostrados en la
Figura 8 muestran que la distribución de la temperatura no es apta para la supervivencia de los
microorganismos, y por ende no se tendría eficacia en el tratamiento del agua.
Conforme a lo anterior, se plantean una serie de modificaciones a la geometría, las cuales
consisten en el cambio de la configuración de las entradas y en la inclusión de bafles estáticos para
generar patrones de flujo.
4.4. Modificación 1: Cambio en la configuración y el ángulo de las entradas. Teniendo en cuenta que las entradas de manera perpendicular no mostraron un buen
desempeño con respecto al mezclado, se modificaron para tenerlas de manera tangencial al tanque
de reacción, como se muestra en la Figura 9.
17
Figura 9. Entradas tangenciales.
Esta modificación se realizó con el fin de lograr un flujo radial que involucrara la totalidad del
diámetro del reactor similar al patrón de flujo obtenido en un ciclón. El aumento en la velocidad
promedio obtenido con esta modificación, dio pie al cambio del ángulo de las entradas. Es decir,
mantener la configuración tangencial de la Figura 9 pero inclinarlas hacia abajo, esto con el fin que
el choque de los lodos contra el fondo del reactor genere turbulencia en el sistema, teniendo en
cuenta tanto los bordes del tanque (flujo radial) como el centro del mismo. La modificación se realizó
como se muestra en la Figura 10, y consiste en la desviación en 45° el ángulo de las entradas,
manteniéndolas de manera tangencial al tanque.
Figura 10. Entradas tangenciales e inclinadas.
Para esta modificación fue necesario un cambio en los parámetros del mallado especificados en
las simulaciones anteriores. Una vez el fluido entra al reactor choca con el fondo del mismo,
generando una mezcla del fluido y genera en un sistema complejo de solucionar en la sub capa
viscosa al sumando las contribuciones a nivel energético. Tanto así, que para este sistema y las
especificaciones de mallado utilizados con anterioridad se obtienen niveles de Wall y+ de
aproximadamente 1000, lo que indica que es necesario tener más elementos cercanos a las paredes
18
para resolver la capa límite correctamente. Se pasó de tener 3 elementos de “prism layer” a tener
7 capas (Figura. C-1). Los modelos de física a analizar se mantuvieron constantes.
Como se observa en la Figura 11 (a), la distribución de velocidad en el tanque se ve seriamente
afectada con respecto a la velocidad en el tanque sin agitador. Sin duda se logró el objetivo de un
flujo radial el cual involucre la totalidad del diámetro del reactor.
( 𝑎 )
( 𝑏 ) Figura 11. Resultados de velocidad en el reactor con entradas inclinadas. (a) Magnitud y distribución. (b) Líneas de
Corriente.
Esto puede ser comprobado con las líneas de corriente de velocidad,preentados en la Figura 11
(b). Para este caso la velocidad promedio en el tanque fue de 1,29 × 10−1𝑚/𝑠 (Figura. C-2), valor
considerablemente mayor al tanque sin modificación y sin agitador. Se observó un aumento de la
velocidad en las salidas del flujo, debido al cambio de dirección que debe realizar el fluido para salir
del tanque. Este viene girando y debe ingresar en un pequeño tubo. Esta compresión aumenta su
velocidad y la lleva un poco más allá que la velocidad de entrada del sistema.
Con respecto a la temperatura en el reactor se observó un comportamiento similar al obtenido
en la distribución de velocidad, como se muestra en la Figura 12.
19
Figura 12. Resultados de temperatura en el reactor con entradas inclinadas.
Esto se debe a que las dos corrientes de entrada se mezclan, la de reciclo calienta a la de proceso
y estas con su comportamiento radial ascienden por el tanque como fue mostrado por las líneas de
corriente de velocidad en la Figura 11 (b). Al igual que la velocidad, el centro del reactor no se ve
afectado por la entrada caliente. Es importante notar que la distribución aumenta
significativamente frente al caso del tanque sin rotor, lo que indica que la modificación fue
productiva. Para este caso se obtiene un promedio de temperatura en el tanque de 30,9 °𝐶 (Figura.
C-3), valor que aún es bajo, y no es el deseado.
En este punto ya se cuenta con una buena velocidad en las paredes del tanque, pero el centro
no tiene la suficiente velocidad como para considerarlo bien mezclado; comportamiento igual que
para la temperatura. Esto es evidente tanto en la magnitud de la velocidad y de temperatura como
en las líneas de corriente, las cuales giran en el borde del tanque, sin tener influencia alguna en el
centro del mismo. Por esta razón se propuso bafles en el centro del tanque (similar a un agitador)
para obligar al fluido ascendente desviarse de su dirección radial y se dirija al centro del tanque.
4.5. Modificación 2: Implementación de bafles al interior del sistema. La utilización de bafles para generar cambios de dirección en el flujo, por ende turbulencia y
mezclado es observado en gran medida en intercambiadores de calor o reactores agitados.
Normalmente los bafles encontrados a nivel industrial en reactores agitados son placas laterales
unidas a las paredes del tanque que interrumpen el flujo radial y generan mezclado, idea que no
puede ser aplicada en este caso porque al no tener un elemento mecánico que mueva el fluido en
su interior, generarían zonas muertas detrás de estas, interrumpiendo la tendencia ascendente del
flujo que cubre todo el reactor. Es por esta razón que se tomó como base un diseño de bafles usado
en intercambiadores de calor, en especial un diseño de la compañía ABB® (el detalle de los bafles se
encuentra en la Figura. D-1), el cual deja de lado los bafles rectos que dividen el intercambiador en
diferentes secciones, generando un patrón de flujo que tiene interacción con la mayor área posible;
este diseño se observa en la Figura. D-2. Debido a que no se tiene mucho conocimiento en los
parámetros de estos bafles, se supone en primer lugar que la altura de los bafles en el tanque es la
misma que el agitador. El volumen de agua a simular con los bafles realizados se observa en la Figura
13.
20
Figura 13. Geometría del volumen de agua a simular con los bafles
A nivel de simulación se tiene en cuenta las mismas consideraciones que en el caso pasado, pero
realizando un afinamiento del mallado en la zona de influencia de las entradas y en los bafles
realizados, en especial la capa límite en esta zona.
( 𝑎 )
( 𝑏 ) Figura 14. Resultados de velocidad en el reactor con bafles. (a) Magnitud y distribución. (b) Líneas de Corriente.
21
La Figura 14 (a) muestra que la inclusión de los bafles perturba un poco la velocidad del flujo.
Aún se mantiene un comportamiento radial pero se ve un aumento de velocidad en lugares
centrales, gracias a la implementación de los bafles. Para este caso se logró una velocidad promedio
un poco mayor que el caso anterior (1,41 × 10−1 𝑚/𝑠, Figura. D-3), lo beneficioso del sistema
implementado es la velocidad generada en puntos diferentes a las paredes, lo que se confirma al
observar la Figura 14 (b). La adición de los bafles, sin duda alguna, generó una mejor distribución de
las líneas de corriente a lo alto del tanque, pero el centro del mismo sigue sin ser perturbado lo
suficiente. Esto se puede deber a una mala configuración de los bafles o colocación incorrecta de
estos dentro del sistema.
Para comprobar lo obtenido por los resultados para la velocidad se realizó el estudio del
comportamiento de la temperatura para esta modificación, como se observa en la Figura 15.
Figura 15. Resultados de temperatura en el reactor con bafles.
Es evidente el cambio de la distribución de la temperatura con respecto al caso anterior. En este
caso el fluido caliente no sólo se queda en los bordes del tanque, si no que la perturbación generada
por los bafles hace que una mayor parte de la columna se caliente. Para este caso se obtiene una
temperatura promedio de 31,6 °𝐶 (Figura. D-4), valor que es superior que el caso pasado, y para un
volumen de fluido tan grande, se toma como un cambio significativo.
La posible inclusión de una entrada de flujo en la mitad del tanque y la utilización de los bafles
puede brindar la perturbación necesaria para que se obtenga una buena distribución de velocidad
y de temperatura en la totalidad del tanque.
4.6. Modificación 3: Entrada al Interior del Tanque El propósito de esta modificación es aprovechar los resultados obtenidos para la velocidad en
los bordes del reactor a partir de los casos anteriores y buscar mezclado al interior del tanque. Para
esto, se utilizan los bafles del ítem anterior, donde se utilizó el eje del mismo como tubería de
alimentación del reactor. Se retira la entrada tangencial del flujo de reciclo y se ubicó en el interior
del tanque en el eje de los bafles implementados. Los beneficios de esta modificación fuerón incluir
una perturbación de flujo en el centro del tanque, y a su vez ayudar a calentar la parte central de la
columna de fluido, dado que esta corriente es la caliente y por conducción de calor a través de la
tubería ayudar a calentar el reactor.
22
Los resultados hidrodinámicos para esta simulación se muestran en la Figura 16.
( 𝑎 )
( 𝑏 ) Figura 16. Resultados de velocidad para el reactor con entrada interior. (a) Magnitud de la velocidad. (b) Líneas de
corriente de la velocidad.
Es importante notar el cambio logrado en la magnitud de la velocidad, donde en la parte inferior
se logró mayor perturbación (gracias a la nueva entrada) pero sin sacrificar el flujo radial ya
conseguido previamente. A medida que el fluido asciende por el reactor, la magnitud de la velocidad
en el centro del tanque disminuye, aunque se mantiene un flujo radial ya no tan cerca a las paredes
del tanque como lo muestra la Figura 16 (b). El promedio de velocidad para esta modificación bajó
con respecto a la modificación anterior (Figura. E-1). Esto se pudo presentar porque el flujo radial
ya no contaba con la contribución de velocidad de las dos entradas, si no sólo con la corriente de
proceso. El comportamiento de la temperatura en este caso es interesante, debido a que la entrada
de fluido caliente logró una mejor distribución de temperatura en el volumen del tanque, como se
observa en la Figura 17.
Figura 17. Resultados de temperatura para el reactor con la entrada interior.
23
El promedio de temperatura permaneció constante con el caso anterior, pero como muestra la
Figura 17, la distribución de ésta es mejor a lo largo de la columna de agua, teniendo en este caso
el centro del reactor un poco más caliente que los bordes del mismo. A medida que el fluido asciende
se da transferencia de calo, y la temperatura cerca a las paredes del tanque aumenta, lo que es
deseado.
4.7. Modificación 4: Entrada al Interior del Reactor con dos set de bafles. Como la ubicación del set de bafles es en la sección inferior del tanque, la sección superior no
cuenta con ningún elemento que genere turbulencia y es por esto que se generan los flujos sin
perturbación en la parte superior del mismo como lo muestra la Figura 16 (b). Teniendo en cuenta
que al modificar la entrada de reciclo se obtuvieron buenos resultados (en especial para la
distribución de temperatura), se probó una configuración similar, pero esta vez con dos set se bafles,
uno encargado de perturbar la sección inferior del tanque (modificaciones anteriores) y otro para
modificar la sección superior del mismo. La Figura 18 muestra los resultados obtenidos para este
caso.
( 𝑎 )
( 𝑏 ) Figura 18. Resultados de velocidad para el tanque con 2 bafles y entrada interior. (a) Magnitud de velocidad. (b) Líneas
de corriente de velocidad.
La inclusión del segundo set de bafles generó la perturbación deseada de la columna de agua.
Esto es visto de mejor manera en las líneas de corriente donde se ve la influencia del segundo set
de bafles ubicado en la sección superior del reactor a diferencia de los casos pasados, se tiene una
alta turbulencia en todas las zonas del reactor. Cabe aclarar que la distribución de los bafles es
diferente para las secciones inferior y superior, con el fin de lograr la mayor perturbación posible,
y es por esto que los bafles de la sección superior se observan en un ángulo menor que los de la
sección inferior.
24
Al igual que en casos anteriores, la temperatura presentó un patrón ascendente del fluido
caliente y a medida que sube por la columna de líquido se va acercando a las paredes del reactor,
como se muestra en la Figura 19.
Figura 19. Resultados para la temperatura del reactor con 2 bafles y la entrada interior.
Al igual que para la velocidad, la inclusión del segundo set de bafles muestró ser suficiente para
lograr una buena mezcla en el sistema. Con respecto a la distribución de la temperatura, se tuvo un
punto frío en el fondo del tanque porque en esta zona no entra en contacto directo con la corriente
caliente, pero dado que en esta zona se mantienen sólidos sedimentados por el tratamiento del
agua, no es un factor significativo. Además de lograr una buena distribución de temperatura en el
reactor, la temperatura promedio del fluido aumentó hasta 32,1 °𝐶 (Figura. F-1), valor superior a
los casos estudiados anteriormente.
Para validar los resultados obtenidos se realizó un test de mallado, el cual tiene como objetivo
analizar si la malla utilizada para las simulaciones realizadas previamente es la correcta y si se
obtienen resultados correctos. Para esto se utilizó como base la simulación estudiada en este
numeral teniendo en cuenta que fue ésta la que dio los mejores resultados, y se cambió el tamaño
de malla y se compara el tiempo de convergencia con respecto al número de celdas generadas en
el mallado. El resultado del test es el siguiente:
Figura 20. Test de malla para los resultados obtenidos.
Para un número de elementos de más de 600.000 el tiempo de simulación fue de más de 24 horas
para llegar al mismo resultado de la simulación. El tamaño de malla realizada en las simulaciones
fue de 30 cm para cada celda, tamaño que dio un número de celdas de 163.089 y un tiempo de
25
computación aproximado de 13 horas (este tiempo es una característica del computador y no puede
ser controlado), punto de equilibrio entre exactitud de resultados y tiempo computacional.
4.8. Análisis multifásico del reactor. Debido a que ya se cuentaba con una configuración que otorga un buen mezclado en el
bioreactor, se procedió a realizar un estudio multifásico del mismo. Las simulaciones previamente
realizadas solo tenían en cuenta el agua a tratar y sus respectivas propiedades. En este punto, se
tuvo en cuenta los sólidos disueltos presentes en el fluido de estudio, para comprobar que la
configuración seleccionada previamente fuese eficiente para el caso multifásico.
Para este caso se asumió que el reciclo (corriente de agua tratada que sale por la parte superior
del tanque) no tiene sólidos en suspensión. Además, se tomó al agua como la fase continua y los
sólidos como la fase dispersa. Esta simulación tomó los parámetros de mallado previamente usados
y confirmados por el análisis de malla y los mismos modelos físicos, teniendo en cuenta esta vez los
modelos multifásicos, en especial el modelo Lagrangiano, el cual brinda una aproximación
relativamente sencilla a fases dispersas sólidas.
( 𝑎 )
( 𝑏 ) Figura 21. Resultados de velocidad (a) y temperatura (b) para el estudio Multifásico.
Para este caso se tiene un comportamiento similar al estudio monofásico manteniendo un
promedio de velocidad y temperatura similar con velocidades y temperaturas promedios en el
mismo orden de magnitud. Comparando la Figura 18 (b) y la Figura 21 (a) se observa un
comportamiento similar para las líneas de corriente donde se ve perturbación del flujo en la
totalidad del volumen de fluido; lo mismo ocurrió con la distribución de temperatura en la Figura
19 y la Figura 21 (b). Adicional de esto se realizó un estudio de los sólidos en el reactor, resultados
mostrados en la Figura 22.
26
Figura 22. Resultados de distribución de sólidos en el tanque.
Se estimó el flujo másico de sólidos dentro del volumen de agua, y como es de esperarse la
mayor concentración de sólidos se encuentran en el fondo del tanque, que al igual que el agua sigue
un patrón radial. Dado que los sólidos en suspensión son de gran tamaño, y el promedio de
velocidad no es lo suficientemente grande los sólidos permanecen en el fondo del tanque y no
ascienden por la corriente de agua. Este caso obtenido no es bueno para el contacto deseado entre
líquido y solido.
4.9. Análisis de ahorro energético Como se anteriormente el objetivo de este estudio era lograr un sistema de mezclado que
redujera los costos energéticos asociados al agitador mecánico presente en el reactor actual. Para
asegurar el ahorro energético logrado con las modificaciones planteadas se realizó un análisis
energético comparando los gastos asociados al sistema antes y después de las modificaciones.
Para el reactor actual se tiene un sistema de bombeo para las dos corrientes del reactor, con
una potencia de 5.5 kW (cálculo aproximado dado que no se contó con las curvas de las bombas
correspondientes) y por ende un consumo de 4.697 EUR/mes (11’867.011 COP/mes), y el agitador
mecánico de 11 kW de potencia, el cual tiene un costo de 10.074 EUR/mes (26’932.965 COP/mes)
lo que genera un costo total de 14.744 EUR/mes (37’635.450 COP/mes).
Para la última modificación realizada se tuvo únicamente consumo energético por bombeo, el
cual necesita una potencia de 8.3 kW y por ende un costo asociado de 7.068 EUR/mes (18’041.436
COP/mes). Cabe anotar que para lo modificación no se tuvo en cuenta el costo de producción de los
bafles ni el mantenimiento de los mismo.
Teniendo esto en cuenta, la modificación planteada logró una reducción del 52% en el consumo
energético relacionado con el mezclado del sistema, sin tener en cuenta costos asociados a
controlabilidad o mantenimiento. Esta reducción se ve reflejada en los resultados obtenidos para
cada simulación, y explica el porqué de la selección de esta modificación.
27
5. Conclusiones y trabajo a futuro Como se observó en los resultados obtenidos, es posible obtener un buen mezclado en un
sistema de bioreacción anaeróbico sin la necesidad de incluir un elemento mecánico rotacional de
alto consumo energético. Esto puede ser observado en el ahorro energético, donde se pasa de un
consumo en términos de condiciones de operación de la bomba de proceso, la bomba de reciclo y
el motor del agitador a un consumo en la bomba de proceso y la bomba de reciclo, la cual debe
aumentar un poco la potencia para compensar mover el fluido a la parte superior del tanque y
vencer la fricción asociada. Las modificaciones realizadas al sistema se plantearón con el principio
en que estas deben ser sencillas tanto de construir como de aplicar y prácticas en el sentido de
simplificar el sistema actual y no complejizarlo. Es importante notar que para el sistema analizado
bajo las condiciones de operaciones dadas y las modificaciones realizadas, se obtiene un
comportamiento típico de un sistema AnMBR, en donde los sólidos se sedimentan y durante la
operación del mismo permanecen en la zona inferior del tanque, y se tiene una zona de buen
mezclado donde se intenta tener un perfil de temperatura uniforme para el buen desempeño de los
microorganismos al interior del equipo (se asume que la buena distribución del pH en el tanque se
relaciona directamente con la distribución de la temperatura y la velocidad del fluido).
Este estudio es un punto de partida para el entendimiento del sistema real debido a que se basa
en una serie de aproximaciones y suposiciones importantes como lo es despreciar la influencia de
la fase gaseosa en el sistema (gas metano producido por los microorganismos), las reacciones
bioquímicas presentes y su influencia en las propiedades del fluido estudiado, la falta de información
con respecto a la actual geometría del reactor y algunos parámetros de proceso. Estos puntos
mencionados y algunos más (análisis estructurales de las modificaciones) constituyen el trabajo a
futuro de este estudio, donde es necesario tener en cuenta más factores en cuenta lo que complejiza
el estudio a realizar.
Bibliografía
[1] D. Jeison, Anaerobic Membrane Bioreactors For Wastewater Treatment: Feasibility and
Potential Applications, Wageningen: Wageningen University, 2007.
[2] Veolia Water. Solutions & Technologies , «The Beobed Advanced system in cheaper and
more reliable,» Veolia Water, Lyon, 2012.
[3] Veolia Water. Solutions & Technologies, «Anerobic MBR: Memthane,» Biothane.
[4] I. Martin, Sludge Free and Energy Neutral Treatment of Sewage, Cranfield: Cranfield
University, 2010.
[5] SPX, Process Equipment, «Heavy Duty Side Entry Mixers: Technical Manual,» SPX Process
Equipment Ltd, 2012.
[6] J. Blazke, Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications, Elsevier, 2001.
28
[7] S. V. H. S. I. N. a. J. v. L. J. Yang, «Analysis of mass transfer characteristics in a tubular
membrane using CFD modeling,» Water Research, vol. 46, pp. 4705-4712, 2012.
[8] D. Kuzmin, Introduction to Computational Fluid Dynamics, Dormund: University of Dormund.
[9] M. Rutniak, K. Kubin y M. Kraume, «Performance of a bioreactor with submerge membranes
for anaerobic treatment f municipal weaste water,» Chemie-Ingenierur-Technik, 2004.
[10] B. Vevikar, S. Judd, G. Guglielimi y C. Brepols, «An anaerobic energy model for bioreactors,»
Water Residual, 2005.
[11] S. Latha, D. Borman y P. A. Sleigh, CFD Multtiphase Modelling for Evaluation of Gas Mixing in
an Anaerobic Digester, Leeds: University of Leeds, 2009.
[12] M. Terashima, R. Goel, K. Komatsu, H. Yasui, H. Takahashi, Y. Li y T. Noike, «CFD simulation of
mixing in anaerobic digester,» Bioresource Technology, nº 100, p. 2228–2233, 2009.
[13] B. Wu, «CFD simulation of mixing in egg-shaped anaerobic digesters,» Water Research, nº
44, pp. 1507-1519, 2010.
[14] B. Wu, «Integration of Mixing, Heat Transfer, and Biochemical Reaction Kinetics in Anaerobic
Methane Fermentation,» Biotechnology and Bioengineering, pp. 717-832, 2012.
[15] B. Wu, «CFD Simulation of gas and non-Newtonian fluid two phase flow in anaerobic
digester,» Water Research, nº 44, pp. 3861-3874, 2010.
[16] B. Wu, E. L. Bibeau y K. G. Gebremedhin, Three-dimensional numerical simulation model of
biogas production for anaerobic digesters, Canadian Biosystems Engineering, 2009.
[17] W. Naessens, T. Maere, N. Ratkovich, S. Vedantam y I. Nopens, «Critical review of membrane
bioreactor models – Part 2: Hydrodynamic and integrated models.,» Bioresource Technology,
nº 122, pp. 107-118, 2012.
[18] CD-Adapco, «STAR-CCM+ User Guide,» CD-Adapco, 2013.
[19] S. Salim y S. Chea, «Wall y+ Strategy for dealing with Wall-bounded Turbulent Flows,»
International MultiConference of Engineers and Computer Scientists, Hong Kong, 2009.
[20] D. Wilcox, Turbulence Modelling for CFD, La cañada, California: DCW Industries, Inc., 1994.
[21] F. Durst, «Turbulence Models and Their Applications,» Indian Institute of Technology
Madras, Chennai, 2011.
[22] S. Judd y C. Judd, The MBR Book: Principles and Applications of Membrane Bioreactors for
Water and Wastewater TReatment, Butterworth-Heinemann: Elsevier , 2011.
29
[23] C. Hirsch, Numerical Computation of Internal and External Flows: Computational Mothods
for Inviscid and Viscous Flows, vol. Volume 2, Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2002.
[24] V. Streeter, Handbook of Fluid Dynamics, Toronto: McGraw-Hill, 1961.
[25] ABB , «ABB Productos. Soluciones Integrales,» ABB Corp, Barcelona.
30
Anexos
A. Reactor Actual La Figura. A-1 muestra el reporte de velocidad promedio para el reactor actual generado por STAR-
CCM+®.
Figura. A-1. Reporte de velocidad para el reactor actual.
B. Reactor sin Agitador La Figura. B-1 muestra el reporte de velocidad promedio para el reactor sin agitador generado por
STAR-CCM+ ®.
Figura. B-1. Reporte de velocidad para el reactor sin agitador
C. Reactor con las entradas Inclinadas La Figura. C-1 muestra el detalle del mallado realizado para la modificación de las entradas del
tanque, esto se debe al análisis realizado por el 𝑤𝑎𝑙𝑙 𝑦 +.
Figura. C-1. Sección de mallado fino y mayor número de capa limite, para el tanque con las entradas inclinadas.
31
La Figura. C-2 muestra el reporte de velocidad promedio para el reactor con las entradas
generadas generado por STAR-CCM+ ®.
Figura. C-2. Reporte de velocidad para el reactor con entradas en ángulo.
La Figura. C-3 muestra el reporte de temperatura promedio para el reactor actual generado por
STAR- CCM+®.
Figura. C-3. Reporte de temperatura para el reactor con entradas en ángulo.
D. Reactor con bafle La Figura. D-1 muestra la forma y distribución de los bafles del intercambiador de calor desarrollado
por la compañía ABB. Esta idea fue utilizada para la generación de turbulencia dentro del reactor.
Figura. D-1. Diseño de bafles del intercambiador de ABB® [24].
32
La Figura. D-2 muestra en detalle los bafles implementados al reactor. Dado que por el tamaño del
equipo no se dispondrán de varios sets de bafles estos no llevan algún orden específico.
Figura. D-2. Detalle de los bafles realizados para la modificación 2.
La Figura. D-3 muestra el promedio de velocidad del fluido dentro del tanque con los bafles,
generado por STAR CCM+.
Figura. D-3. Reporte de velocidad para el reactor con los bafles.
La Figura. D-4 muestra el promedio de temperatura del fluido dentro del reactor con los bafles
generado por STAR CCM+.
Figura. D-4. Reporte de temperatura para el reactor con los bafles.
33
E. Reactor con entrada interior La Figura. E-1 muestra el promedio de velocidad obtenido de STAR CCM+.
Figura. E-1. Reporte de velocidad para el reactor con la entrada interior.
La Figura. E-2 muestra el promedio de temperatura obtenido de STAR-CCM+.
Figura. E-2. Reporte de temperatura para el tanque con la entrada de reciclo al interior.
F. Reactor con entrada interior y 2 bafles. La Figura. F-1 muestra el promedio de velocidad del fluido obtenido en STAR-CCM+.
Figura. F-1. Reporte de velocidad para el reactor con dos bafles y la entrada del reciclo al interior del mismo
La Figura. F-2 muestra el promedio de velocidad del fluido obtenido en STAR.CCM+.
Figura. F-2. Reporte de temperatura para el reactor con la entrada interior y dos bafles.
