Transferencia de gases en
sistemas de recirculación
Raul H. Piedrahita, Ph.D.
Biological and Agricultural Engineering
University of California, Davis
Temas
 Principios
básicos
 Transferencia de gases
 Principios de diseño
Principios básicos
La concentración de gases disueltos puede
ser el factor de calidad de agua limitante
en sistemas de recirculación (RAS)
Principios básicos
La concentración de gases disueltos puede
ser el factor de calidad de agua limitante
en sistemas de recirculación (RAS)
Posibles problemas con el agua de recambio:
 Oxígeno (O2)
 Dióxido de carbono (CO2)
 Nitrógeno (N2) y Argon (Ar) (presión de gas
total, o TGP)
 ...
Principios básicos
La concentración de gases disueltos puede
ser el factor de calidad de agua limitante
en sistemas de recirculación (RAS)
Posibles problemas con el agua de cultivo:
 Oxígeno (O2)
 Dióxido de carbono (CO2)
Principios básicos
Oxígeno
Es consumido por peces y microorganismos
0.3-0.5 g O2/g alimento
Debe reponerse: oxigenación o aireación
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
Principios básicos
La concentración de saturación del gas i
es una función de:
 el gas, la temperatura (T) y la salinidad
(S)
 la presión (P)
 el contenido del gas en la "atmósfera" (Xi)
 ...
C s ,i  f1 T , S i f2 P  X i
Principios básicos
La concentración de saturación del gas i
es:
C s ,i  1000 K i  i X i
PBP  Pwv
760
Cs,i = concentración de saturación, mg/L; Ki = "densidad" del gas,
g/L, 1.429 para O2 y 1.977 para CO2; i = coeficiente de Bunsen,
L/L-atm; Xi = fracción molar en la fase gaseosa; PBP = presión
barométrica, mmHg; Pwv = presión de vapor del agua, mmHg
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación
XO2
PBP
Pwv
Cs,O2
Nivel del
mar, aire,
FW, 15C
0.209
760
12.79
10.072
Nivel del
mar, aire,
FW, 25C
0.209
760
23.77
8.244
FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XO2, fracción por
volumen; presión, mmHg; Cs,O2, mg/L.
Ref: Colt, J. 1984
Principios básicos - solubilidad:
equilibrio entre la fase gaseosa y el
agua
Fracción molar
presión
fase gaseosa
agua
Temperatura
salinidad
presión
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación
XO2
PBP
Pwv
Cs,O2
Nivel del
mar, aire,
FW, 15C
0.209
760
12.79
10.072
Nivel del
mar, aire,
SW, 15C
0.209
760
12.55
8.129
FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XO2, fracción por
volumen; presión, mmHg; Cs,O2, mg/L.
Ref: Colt, J. 1984
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación
XO2
PBP
Pwv
Cs,O2
Nivel del
mar, aire,
FW, 15C
0.209
760
12.79
10.072
1600 m,
aire, FW,
15C
0.209
631
12.79
8.328
FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XO2, fracción por
volumen; presión, mmHg; Cs,O2, mg/L.
Ref: Colt, J. 1984
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación
XO2
PBP
Pwv
Cs,O2
Nivel del
mar, aire,
FW, 15C
0.209
760
12.79
10.072
Nivel del
mar, O2
puro, FW,
15C
1.00
760
12.79
48.19
FW=agua dulce; SW= agua de mar. Unidades: XO2, fracción por
volumen; presión, mmHg; Cs,O2, mg/L.
Ref: Colt, J. 1984
Principios básicos - solubilidad de oxígeno
Situación
XO2
PBP
Pwv
Cs,O2
Nivel del
mar, aire,
FW, 15C
0.209
760
12.79
10.072
1 atm*, O2
puro, FW,
15C
1.00
1520
12.79
96.38
* 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
Principios básicos - solubilidad de CO2
Situación
XCO2
PBP
Pwv
Cs,CO2
Nivel del
mar, aire,
FW, 15C
0.00038*
760
12.79
0.76
Nivel del
mar, aire,
FW, 25C
0.00038
760
12.79
0.57
* 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
Principios básicos - sobresaturación
Sobresaturación puede ser causada
por:
 un aumento de temperatura
(calentamiento del agua)
Posible problema
 un aumento de presión (e.g. causado por bombeo)
 enriquecimiento del gas (e.g. uso de oxígeno
puro)
Principios básicos - sobresaturación
Sobresaturación puede ser causada
por:
 un aumento de temperatura (calentamiento del
agua)
 un aumento de presión (e.g. causada
por bombeo)
Posible problema
 enriquecimiento del gas (e.g. uso de oxígeno
puro)
Principios básicos - sobresaturación
Sobresaturación puede ser causad
por:
 un aumento de temperatura (calentamiento del
agua)
 un aumento de presión (e.g. causado por bombeo)
 enriquecimiento del gas (e.g. uso de
oxígeno puro)
Usado para la inyección de oxígeno
puro
Principios básicos - O2 puro
 O2
puro en el gas aumenta la
solubilidad de O2 en el agua
 Normalmente uno puede tener
densidades de peces mas altas que si se
usa aire
 Hay que oxigenar menos agua para
añadir una cantidad dada de oxígeno
 El CO2 puede acumularse cuando se usa
O2 puro
Principios básicos - fuentes de aire
Sopladores de aire
(blowers)
Principios básicos - fuentes de oxígeno
Oxygen Transfer Systems
Oxígeno - generación local
- O2 liquido
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
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
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
Transferencia de gases - tasa
Depende de:
 la diferencia entre la concentración en el agua (Ci) y la
concentración de saturación (Cs,i)
 el área de contacto entre el agua y la
"atmósfera"
aumenta esparciendo el agua en el aire o
creando pequeñas burbujas
 Difusividad: turbulencia
Transferencia de gases - tasa
Depende de:
 la diferencia entre la concentración en el agua (Ci) y la
concentración de saturación (Cs,i)
 el área de contacto entre el agua y la "atmósfera"
 Difusividad: turbulencia
aumentar la turbulencia
Transferencia de gases - equipo
Fase líquida continua (burbujas en el
agua)





Difusores de burbujas
Tubos U
Conos de oxigenación
Aspiradores/inyectores de oxígeno
...
Transferencia de gases - equipo
Difusores
 muy poco eficientes (eficiencia de transferencia
normal <10%)
 útiles para oxigenación de emergencia
 a veces se usan con bombas airlift
Transferencia de gases - equipo
Tubo U
Transferencia de gases - equipo
Tubo U








velocidad del agua hacia abajo: 2 a 3 m/s
profundidad usual > 10 m
no elimina ni el N2 ni el CO2
pueden obtenerse concentraciones de oxígeno >>
40 mg/L
eficiencia de transferencia ~ 50-80 %
el costo de bombeo es bajo debido a una baja
pérdida hidráulica
el costo de construcción depende del sitio
el flujo de gas debe ser < 25 % del flujo de agua
Transferencia de gases - equipo
Cono de oxigenación
Transferencia de gases - equipo
Cono de oxigenación
 muy común en Europa
 resistente a sólidos
 pueden obtenerse concentraciones de
oxígeno >> 40 mg/L
 la eficiencia de transferencia se acerca al
100 %
 no elimina ni el N2 ni el CO2
Transferencia de gases - equipo
Aspiración/inyección de oxígeno
Transferencia de gases - equipo
Fase gaseosa continua (gotas de agua en
el aire)
 columnas de aireación con o sin relleno
(PCA)
 oxigenadores de secciones múltiples y
pérdida hidráulica baja (Multi-staged low
head oxygenators, LHO)
 ...
Transferencia de gases - equipo
Columnas de aireación (PCA)
Water in
Gas out
Gas in
Water out
Transferencia de gases - equipo
Columnas de aireación con o sin relleno
comportamiento predecible
pueden ser resistentes a sólidos
pueden usarse con aire u oxígeno
pueden eliminar el N2 y el CO2 si se usan
con aire
 pueden ser presurizadas
 la eficiencia de transferencia puede ser de
cerca al 100%




Transferencia de gases - equipo
Oxigenadores de pérdida hidráulica baja - LHO
flow
oxygen
O2 in
feed gas
sump tank
off-gas
off-gas
vent
flow
Transferencia de gases - equipo
LHO
 puede ser muy eficaces para añadir O2 con
una caída de agua pequeña
 remueve N2 (pero no CO2) mientras añade
O2
 la relación entre el volumen de flujo de
oxígeno y el de agua (G:L) es de 0.5-2%
 la eficiencia de transferencia disminuye
para G:L>2%
 "compacto" y puede combinarse con una
PCA para desgasificación de CO2
Transferencia de gases - equipo
CO2 Stripping
LHO
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
Principios básicos - CO2
El sistema carbonato
–
+
H2CO3*  HCO3 + H
–
=
HCO3  CO3 + H
+
Ka,1
Ka,2
donde: [H2CO3*]  [H2CO3] + [CO2] = "CO2
libre"
Principios básicos - CO2
[H2CO3*] = aH2CO3* . CTCO3
o
1
*
[ H 2 CO 3 ] 
K a ,1
+
[H ]
+
2 K a ,1K a ,2


Kw
+

Alk

+
[
H
] 
c


+
[H ]


+ 2
[H ]
donde:
Alkc = [HCO3–] + 2[CO3=] + [OH–] – [H+]
Principios básicos - CO2
lo que significa que:
1.0
a H 2C O 3*
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
5
6
7
8
9
pH
se puede cambiar la concentración de CO2 libre cambiando el
pH
Principios básicos - CO2
100
ALKALINITY
meq/L
0.25
C A R BO N DIO X IDE (m g/L)
0.5
75
1.0
2.0
3.0
4.0
50
mmol/L
CtCO3
0.25
0.5
25
1.0
2.0
3.0
4.0
0
6
7
Para agua dulce a 25 °C
8
Principios básicos - CO2
Se puede reducir su concentración por
medio de aireación o aumentando el pH
Principios básicos - CO2
Si se reduce por aireación
(desgasificación)
•aumenta el pH
•disminuye la concentración de CTCO3
•no cambia la alcalinidad
Desgasificación
La alcalinidad no cambia
CARBON DIOXIDE (mg/L)
100
Alkalinity
meq/L
0.25
0.5
1.0
2.0
3.0
4.0
75
50
CtCO3 mmol/L
0.25
0.5
1.0
2.0
3.0
4.0
25
0
6
7
pH
8
Principios básicos - CO2
Si se reduce al añadir una base y aumentar
el pH:
•la aH2CO3* disminuye al aumentar el pH
•la concentración de CTCO3 no cambia
•la alcalinidad aumenta debido a la
introducción de la base
Introducción de una base fuerte (e.g. NaOH):
El CTCO3 no cambia
CARBON DIOXIDE (mg/L)
100
Alkalinity
meq/L
0.25
0.5
1.0
2.0
3.0
4.0
75
50
mmol/L
CtCO3
0.25
0.5
1.0
2.0
3.0
4.0
25
0
6
7
pH
8
Principios de diseño
 Oxigenación
(gO2/d) y reducción de CO2
(gCO2/d) necesarias, dependen de:
 alimento (galimento/gpez/d)
 fisiología (gO2/galimento, mgO2/L,
gCO2/galimento, mgCO2/L)
 balances de masa, tasa de recambio del
agua, otros procesos




método de tratamiento?
configuración y sitio en la secuencia de unidades de
tratamiento
cálculos preliminares
detalles
Principios de diseño
Fisiología
 Datos sobre el consumo de O2 y la
producción de CO2 pueden ser poco
comunes, especialmente para peces en
condiciones de cultivo
 si no existe información detallada, use valores “genéricos”,
cómo:
• 0.2-0.3 kg O2/kg alimento
• 1 kg O2/kg alimento
• cuociente de respiración de 1mol CO2/mol O2
Principios de diseño
Fisiología

Datos sobre el consumo de O2 y la producción de CO2
pueden ser poco comunes, especialmente para peces
en condiciones de cultivo
 si no existe información detallada, use
valores “genéricos”, cómo:
• 0.3-0.5 kg O2/kg alimento si los sólidos son
retirados y la demanda de oxígeno del biofiltro
es satisfecha de otra manera
• 1 kg O2/kg alimento
• cuociente de respiración de 1mol CO2/mol O2
Principios de diseño
Fisiología

Datos sobre el consumo de O2 y la producción de CO2
pueden ser poco comunes, especialmente para peces
en condiciones de cultivo
 si no existe información detallada, use
valores “genéricos”, cómo:
• 0.2-0.5 kg O2/kg alimento
• hasta 1 kg O2/kg alimento si los sólidos se
acumulan en el sistema y la demanda de oxígeno
del biofiltro no se suministra de otra manera
• cuociente de respiración de 1mol CO2/mol O2
Principios de diseño
Fisiología

Datos sobre el consumo de O2 y la producción de CO2
pueden ser poco comunes, especialmente para peces
en condiciones de cultivo
 si no existe información detallada, use
valores “genéricos”, cómo:
• 0.2-0.5 kg O2/kg alimento
• 1 kg O2/kg alimento
• valores de consumo de oxígeno y un cuociente
de respiración de 1 mol de CO2 producido/mol
de O2 consumido, o 1.4 kg de CO2/kg de O2
Principios de diseño

Oxigenación (gO2/d) y reducción de CO2 (gCO2/d)
necesarias
 método
de tratamiento?
 para O2: aireación, oxigenación, ...
 para CO2: desgasificación, uso de base



configuración y sitio en la secuencia de unidades de
tratamiento
cálculos preliminares
detalles
Principios de diseño



Oxigenación (gO2/d) y reducción de CO2 (gCO2/d) necesarias
método de tratamiento?
configuración y sitio en la secuencia de
unidades de tratamiento
 configuración del sistema
 secuencia


cálculos preliminares
detalles
Principios de diseño




Oxigenación (gO2/d) y reduccion de CO2 (gCO2/d) necesarias
método de tratamiento?
configuración y sitio en la secuencia de unidades de
tratamiento
cálculos preliminares
 O2: caudales, concentraciones, consumo de
oxígeno, ...
 CO2: caudales, concentraciones, consumo de
productos químicos, ventilación, ...

detalles
Principios de diseño




Oxigenación (gO2/d) y reducción de CO2 (gCO2/d)
necesarias
método de tratamiento?
configuración y sitio en la secuencia de unidades de
tratamiento
cálculos preliminares
 detalles
 equipo, diseño, alarmas, sistemas de
emergencia
Principios de diseño - precauciones
 Use
valores altos de G:L para la
desgasificación y bajos para la
oxigenación
G: caudal de gas (L/min)
L: caudal de agua (L/min)



No use aire a presión
Escoja cuidadosamente las bases teniendo en
cuenta la química del agua a ser tratada
Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas
metabólicas
Principios de diseño - precauciones

Use valores altos de G:L para la desgasificación y
bajos para la oxigenación
 No
use aire a presión
puede causar sobresaturación


Escoja cuidadosamente las bases teniendo en
cuenta la química del agua a ser tratada
Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas
metabólicas
Principios de diseño - precauciones


Use valores altos de G:L para la desgasificación y
bajos para la oxigenación
No use aire a presión
 Escoja
cuidadosamente las bases
teniendo en cuenta la química del agua
a ser tratada
 cambios de pH
 cambios de alcalinidad y carbón carbonato
total

Tenga en cuenta fluctuaciones en las tasas
metabólicas
Principios de diseño - precauciones
Use valores altos de G:L para la desgasificación y
bajos para la oxigenación
 No use aire a presión
 Escoja cuidadosamente las bases teniendo en
cuenta la química del agua a ser tratada

 Tenga
en cuenta fluctuaciones en las
tasas metabólicas
 diseñe para tasas promedio e incluya un factor de
seguridad
 diseñe para responder a los cambios de las tasas
 diseñe para las tasas pico
Principios de diseño - configuración
O2 añadido y N2 y CO2 removidos
del agua de recambio
Entrada
Salida
O2
N2 y CO2
Útil para añadir O2 y reducir concentraciones
excesivas de N2 y CO2 en el agua de recambio
Principios de diseño - configuración
Aumento de O2 y reducción de CO2
en el agua recirculada
Entrada
O2
Remoción de
CO2 por
desgasificación
Salida
y/o transformación de CO2
debido al uso de bases
Principios de diseño - configuración
o
Entrada
Salida
O2
Remoción de
CO2 por
desgasificación
y/o transformación de CO2
debido al uso de bases
Principios de diseño - configuración
Otro tratamiento
o
Entrada
Salida
O2
Remoción de
CO2 por
desgasificación
y/o transformación de CO2
debido al uso de bases
Principios de diseño - configuración
o
Entrada
Salida
O2
Remoción de
CO2 por
desgasificación
Otro tratamiento
y/o transformación de CO2
debido al uso de bases
Retos

Fisiología
 tasas metabólicas
 concentraciones "seguras", especialmente
para el CO2
 consecuencia de condiciones no-óptimas

Tecnología
 reducir costos
 mejorar las tecnologías de control de CO2
 mejorar los métodos para medir la
concentración de CO2
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o O 2