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Transferencia de gases en sistemas de recirculación Raul H. Piedrahita, Ph.D. Biological and Agricultural Engineering University of California, Davis.

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1 Transferencia de gases en sistemas de recirculación Raul H. Piedrahita, Ph.D. Biological and Agricultural Engineering University of California, Davis

2 Temas u Principios básicos u Transferencia de gases u 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 (O 2 ) Dióxido de carbono (CO 2 ) Nitrógeno (N 2 ) 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 (O 2 ) Dióxido de carbono (CO 2 )

6 Principios básicos Oxígeno Es consumido por peces y microorganismos g O 2 /g alimento Debe reponerse: oxigenación o aireación

7 Principios básicos Dióxido de carbono Es producido por peces y microorganismos g CO 2 / g alimento (1 mole CO 2 /mole O 2 ) Debe ser reducido: control de pH y/o desgasificación

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

10 Principios básicos La concentración de saturación del gas i es: C s,i = concentración de saturación, mg/L; K i = "densidad" del gas, g/L, para O 2 y para CO 2 ; = coeficiente de Bunsen, L/L-atm; X i = fracción molar en la fase gaseosa; P BP = presión barométrica, mmHg; P wv = presión de vapor del agua, mmHg

11 Principios básicos - solubilidad de oxígeno SituaciónX O2 P BP P wv C s,O2 Nivel del mar, aire, FW, 15C Nivel del mar, aire, FW, 25C FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: X O2, fracción por volumen; presión, mmHg; C s,O2, mg/L. Ref: Colt, J. 1984

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

13 SituaciónX O2 P BP P wv C s,O2 Nivel del mar, aire, FW, 15C Nivel del mar, aire, SW, 15C FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: X O2, fracción por volumen; presión, mmHg; C s,O2, mg/L. Ref: Colt, J Principios básicos - solubilidad de oxígeno

14 SituaciónX O2 P BP P wv C s,O2 Nivel del mar, aire, FW, 15C m, aire, FW, 15C FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: X O2, fracción por volumen; presión, mmHg; C s,O2, mg/L. Ref: Colt, J Principios básicos - solubilidad de oxígeno

15 SituaciónX O2 P BP P wv C s,O2 Nivel del mar, aire, FW, 15C Nivel del mar, O 2 puro, FW, 15C FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: X O2, fracción por volumen; presión, mmHg; C s,O2, mg/L. Ref: Colt, J Principios básicos - solubilidad de oxígeno

16 SituaciónX O2 P BP P wv C s,O2 Nivel del mar, aire, FW, 15C atm*, O 2 puro, FW, 15C FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: X O2, fracción por volumen; presión, mmHg; C s,O2, mg/L. Ref: Colt, J * presión relativa (gauge) Principios básicos - solubilidad de oxígeno

17 SituaciónX CO2 P BP P wv C s,CO2 Nivel del mar, aire, FW, 15C * Nivel del mar, aire, FW, 25C FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: X CO2, fracción por volumen; presión, mmHg; C s,CO2, mg/L. Ref: Weiss, R.F * valor en el 2006 y aumentando... NOAA, Principios básicos - solubilidad de CO 2

18 Principios básicos - sobresaturación Sobresaturación puede ser causada por: un aumento de temperatura (calentamiento del agua) Posible problema un aumento de presión (e.g. causado por bombeo) enriquecimiento del gas (e.g. uso de oxígeno puro)

19 Principios básicos - sobresaturación Sobresaturación puede ser causada por: un aumento de temperatura (calentamiento del agua) un aumento de presión (e.g. causada por bombeo) Posible problema enriquecimiento del gas (e.g. uso de oxígeno puro)

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

21 Principios básicos - O 2 puro u O 2 puro en el gas aumenta la solubilidad de O 2 en el agua u Normalmente uno puede tener densidades de peces mas altas que si se usa aire u Hay que oxigenar menos agua para añadir una cantidad dada de oxígeno u El CO 2 puede acumularse cuando se usa O 2 puro

22 Principios básicos - fuentes de aire Sopladores de aire (blowers)

23 Principios básicos - fuentes de oxígeno Oxygen Transfer Systems Oxígeno - generación local - O 2 liquido

24 O 2 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 O 2 producido Principios básicos - fuentes de oxígeno

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26 O 2 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

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28 Depende de: la diferencia entre la concentración en el agua (C i ) y la concentración de saturación (C s,i ) Si C i > C s,i (sobresaturación): el gas i pasa del agua a la "atmósfera": desgasificación Si C i < C s,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

29 Depende de: la diferencia entre la concentración en el agua (C i ) y la concentración de saturación (C s,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

30 Depende de: la diferencia entre la concentración en el agua (C i ) y la concentración de saturación (C s,i ) el área de contacto entre el agua y la "atmósfera" Difusividad: turbulencia aumentar la turbulencia Transferencia de gases - tasa

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

32 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

33 Tubo U Transferencia de gases - equipo

34 Tubo U velocidad del agua hacia abajo: 2 a 3 m/s profundidad usual > 10 m no elimina ni el N 2 ni el CO 2 pueden obtenerse concentraciones de oxígeno >> 40 mg/L eficiencia de transferencia ~ % 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

35 Cono de oxigenación Transferencia de gases - equipo

36 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 N 2 ni el CO 2 Transferencia de gases - equipo

37 Aspiración/inyección de oxígeno Transferencia de gases - equipo

38 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

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

40 Columnas de aireación con o sin relleno comportamiento predecible pueden ser resistentes a sólidos pueden usarse con aire u oxígeno pueden eliminar el N 2 y el CO 2 si se usan con aire pueden ser presurizadas la eficiencia de transferencia puede ser de cerca al 100% Transferencia de gases - equipo

41 sump tank O 2 in off-gas Oxigenadores de pérdida hidráulica baja - LHO Transferencia de gases - equipo

42 LHO puede ser muy eficaces para añadir O 2 con una caída de agua pequeña remueve N 2 (pero no CO 2 ) mientras añade O 2 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 CO 2 Transferencia de gases - equipo

43 LHO CO 2 Stripping Transferencia de gases - equipo

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45 Principios básicos - CO 2 El CO 2 hace parte del sistema carbonato y su concentración depende de:: alcalinidad (Alk: meq/L, mg/L as CaCO 3 ) carbón carbonato total (carbón inórganic disuelto) (C TCO3 : mmol/L) pH temperatura salinidad

46 El sistema carbonato H 2 CO 3 * HCO 3 – + H + K a,1 HCO 3 – CO 3 = + H + K a,2 donde: [H 2 CO 3 *] [H 2 CO 3 ] [CO 2 ] = "CO 2 libre" Principios básicos - CO 2

47 [H 2 CO 3 * ] = H2CO3*. C TCO3 o donde: Alk c = [HCO 3 – ] + 2[CO 3 = ] + [OH – ] – [H + ] Principios básicos - CO 2

48 lo que significa que: se puede cambiar la concentración de CO 2 libre cambiando el pH Principios básicos - CO 2

49 mmol/L meq/L Para agua dulce a 25 °C Principios básicos - CO 2

50 Se puede reducir su concentración por medio de aireación o aumentando el pH Principios básicos - CO 2

51 Si se reduce por aireación (desgasificación) aumenta el pH disminuye la concentración de C TCO3 no cambia la alcalinidad Principios básicos - CO 2

52 Desgasificación

53 Si se reduce al añadir una base y aumentar el pH: la H2CO3* disminuye al aumentar el pH la concentración de C TCO3 no cambia la alcalinidad aumenta debido a la introducción de la base Principios básicos - CO 2

54 Introducción de una base fuerte (e.g. NaOH):

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56 Principios de diseño u Oxigenación (gO 2 /d) y reducción de CO 2 (gCO 2 /d) necesarias, dependen de: alimento (galimento/gpez/d) fisiología (gO 2 /galimento, mgO 2 /L, gCO 2 /galimento, mgCO 2 /L) balances de masa, tasa de recambio del agua, otros procesos u método de tratamiento? u configuración y sitio en la secuencia de unidades de tratamiento u cálculos preliminares u detalles

57 Principios de diseño Fisiología u Datos sobre el consumo de O 2 y la producción de CO 2 pueden ser poco comunes, especialmente para peces en condiciones de cultivo si no existe información detallada, use valores genéricos, cómo: kg O 2 /kg alimento 1 kg O 2 /kg alimento cuociente de respiración de 1mol CO 2 /mol O 2

58 Principios de diseño Fisiología u Datos sobre el consumo de O 2 y la producción de CO 2 pueden ser poco comunes, especialmente para peces en condiciones de cultivo si no existe información detallada, use valores genéricos, cómo: kg O 2 /kg alimento si los sólidos son retirados y la demanda de oxígeno del biofiltro es satisfecha de otra manera 1 kg O 2 /kg alimento cuociente de respiración de 1mol CO 2 /mol O 2

59 Fisiología u Datos sobre el consumo de O 2 y la producción de CO 2 pueden ser poco comunes, especialmente para peces en condiciones de cultivo si no existe información detallada, use valores genéricos, cómo: kg O 2 /kg alimento hasta 1 kg O 2 /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 CO 2 /mol O 2 Principios de diseño

60 Fisiología u Datos sobre el consumo de O 2 y la producción de CO 2 pueden ser poco comunes, especialmente para peces en condiciones de cultivo si no existe información detallada, use valores genéricos, cómo: kg O 2 /kg alimento 1 kg O 2 /kg alimento valores de consumo de oxígeno y un cuociente de respiración de 1 mol de CO 2 producido/mol de O 2 consumido, o 1.4 kg de CO 2 /kg de O 2 Principios de diseño

61 u Oxigenación (gO 2 /d) y reducción de CO 2 (gCO 2 /d) necesarias u método de tratamiento? para O 2 : aireación, oxigenación,... para CO 2 : desgasificación, uso de base u configuración y sitio en la secuencia de unidades de tratamiento u cálculos preliminares u detalles Principios de diseño

62 u Oxigenación (gO 2 /d) y reducción de CO 2 (gCO 2 /d) necesarias u método de tratamiento? u configuración y sitio en la secuencia de unidades de tratamiento configuración del sistema secuencia u cálculos preliminares u detalles Principios de diseño

63 u Oxigenación (gO 2 /d) y reduccion de CO 2 (gCO 2 /d) necesarias u método de tratamiento? u configuración y sitio en la secuencia de unidades de tratamiento u cálculos preliminares O 2 : caudales, concentraciones, consumo de oxígeno,... CO 2 : caudales, concentraciones, consumo de productos químicos, ventilación,... u detalles Principios de diseño

64 u Oxigenación (gO 2 /d) y reducción de CO 2 (gCO 2 /d) necesarias u método de tratamiento? u configuración y sitio en la secuencia de unidades de tratamiento u cálculos preliminares u detalles equipo, diseño, alarmas, sistemas de emergencia Principios de diseño

65 u 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) u No use aire a presión u Escoja cuidadosamente las bases teniendo en cuenta la química del agua a ser tratada u Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas metabólicas Principios de diseño - precauciones

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

67 u Use valores altos de G:L para la desgasificación y bajos para la oxigenación u No use aire a presión u Escoja cuidadosamente las bases teniendo en cuenta la química del agua a ser tratada cambios de pH cambios de alcalinidad y carbón carbonato total u Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas metabólicas Principios de diseño - precauciones

68 u Use valores altos de G:L para la desgasificación y bajos para la oxigenación u No use aire a presión u Escoja cuidadosamente las bases teniendo en cuenta la química del agua a ser tratada u 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

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70 Principios de diseño - configuración Entrada N 2 y CO 2 Salida O 2 añadido y N 2 y CO 2 removidos del agua de recambio Útil para añadir O 2 y reducir concentraciones excesivas de N 2 y CO 2 en el agua de recambio O2O2

71 Principios de diseño - configuración Entrada Remoción de CO 2 por desgasificación Salida Aumento de O 2 y reducción de CO 2 en el agua recirculada y/o transformación de CO 2 debido al uso de bases O2O2

72 Entrada Salida o O2O2 Principios de diseño - configuración Remoción de CO 2 por desgasificación y/o transformación de CO 2 debido al uso de bases

73 Entrada Salida o Otro tratamiento O2O2 Principios de diseño - configuración Remoción de CO 2 por desgasificación y/o transformación de CO 2 debido al uso de bases

74 Entrada Salida o Otro tratamiento O2O2 Principios de diseño - configuración Remoción de CO 2 por desgasificación y/o transformación de CO 2 debido al uso de bases

75 Retos u Fisiología tasas metabólicas concentraciones "seguras", especialmente para el CO 2 consecuencia de condiciones no-óptimas u Tecnología reducir costos mejorar las tecnologías de control de CO 2 mejorar los métodos para medir la concentración de CO 2

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