ES2563852T3 - Reactor abierto para cultivo de microalgas - Google Patents

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ES2563852T3 ES13382470.6T ES13382470T ES2563852T3 ES 2563852 T3 ES2563852 T3 ES 2563852T3 ES 13382470 T ES13382470 T ES 13382470T ES 2563852 T3 ES2563852 T3 ES 2563852T3
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Abstract

Un reactor de lagunas algales de alta tasa (HRAP) para el cultivo de microalgas o cultivo mixotrófico de microalgas-bacterias que comprende: - un canal de flujo, por el que discurre una lámina de agua, con un nivel de agua que varía entre 0,2 y 0,6 m, en forma de rectángulo redondeado con cuatro secciones: dos tramos rectos paralelos, separados por un tabique intermedio y unidos en sus extremos por curvas semicirculares de 180º, cada una de ellas dotada de una entrada y una salida en función de la dirección en la que discurre la lámina de agua; y - al menos un primer sistema de agitación de dicha lámina de agua, situado entre la salida de una de las curvas y el extremo del tramo recto contiguo del canal donde al menos la primera curva, contigua al sistema de agitación, es 2 a 4 veces más estrecha que los principales tramos rectos del canal y tiene un radio de curvatura medio 1 a 2 veces mayor que la anchura de la curva, estando la entrada de dicha curva unida al tramo recto contiguo mediante una primera zona de transición que consiste en un estrechamiento desde el tramo recto hasta la entrada de la curva en forma de trapecio isósceles, de paredes planas, que presenta un incremento de la profundidad en la misma proporción al estrechamiento de su anchura con respecto al tramo recto, y una longitud tal que el ratio entre la longitud y la anchura del tramo recto del canal está comprendido entre 1 y 3; estando el reactor caracterizado por que: - el sistema de agitación es un acelerador de flujo que comprende un dispositivo acelerador de flujo con una hélice axial de flujo que produce un flujo axial a una velocidad de rotación igual o inferior a 100 rpm, que está alojado en el interior de un conducto cerrado de pared tubular con dos extremos abiertos para el paso de toda la lámina de agua cuyo por su interior, estando su punto más elevado a una cota por debajo del nivel inferior de agua a la entrada del sistema de agitación, y con una distancia entre el diámetro interior del conducto y el extremo de las hélices comprendida entre 2 y 20 mm; estando dicho sistema de agitación situado entre dos secciones de transición, uniendo la primera la sección rectangular de la curva con la sección circular del conducto por un extremo, y uniendo la segunda la sección circular del conducto con la sección de la segunda zona de transición del canal por el otro extremo, con la misma configuración que la primera, que también está unida al tramo recto contiguo; siendo constante el área de sección transversal de todas las secciones del reactor, y siendo también constante la velocidad del flujo entre 0,2 y 0,4 m/s.

Description

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DESCRIPCION
Reactor abierto para cultivo de microalgas Sector de la tecnica
La presente invencion se engloba dentro del sector de la produccion de microalgas o cultivos mixotroficos de algas- bacterias, para un uso posterior de las mismas, tal como en procesos de depuracion de efluentes lfquidos mediante su cultivo. En concreto la invencion se enmarca en el area de cultivo en sistemas de reactores abiertos de carrusel o lagunas algales de alta tasa (HRAP).
Estado de la tecnica
Las microalgas son microorganismos de gran utilidad ya que presentan aplicaciones beneficiosas en areas tan diferentes como el tratamiento de aguas residuales, la produccion de biocombustibles, biofertilizantes, la alimentacion humana y animal, la reduccion de gases de efecto invernadero (CO2), o la obtencion de productos qmmicos de alto valor. Los cultivos de microalgas pueden alcanzar niveles de productividad mucho mas elevados que los cultivos de plantas superiores, dando como resultado niveles mas elevados de fijacion de CO2 y una mayor cantidad de biomasa producida. Ademas, los cultivos de microalgas tienen menores necesidades de agua y no compiten con los cultivos tradicionales, puesto que no necesitan terrenos fertiles y pueden usar aguas con bajos parametros de calidad, como aguas residuales y salmueras.
En el caso del tratamiento de aguas residuales, los cultivos de microalgas pueden desempenar un papel fundamental en el futuro. Los cultivos mixotroficos de algas-bacterias permiten reducir el consumo de energfa de los tradicionales sistemas de fangos activos, entre 0,2 y 0,4 kw/m3, dado que las microalgas producen el oxfgeno necesario para que las bacterias degraden la materia organica y realicen el proceso de nitrificacion. Ademas, las microalgas incorporan el N y el P de las aguas residuales durante su crecimiento fotosintetico, transformandolo en biomasa que puede ser recuperada en el proceso de cosechado y evitando por tanto su vertido y los problemas medioambientales derivados de dicho vertido, como la eutrofizacion de los cauces receptores. Tambien proporcionan el mayor nivel de eliminacion de patogenos de todos los sistemas empleados para el tratamiento biologico de aguas residuales.
Dentro de los sistemas de produccion de microalgas existen principalmente dos clases diferenciadas: sistemas cerrados y abiertos. Los sistemas cerrados se caracterizan por aislar el fluido del ambiente exterior y estar menos expuestos a sus perturbaciones, mientras que los sistemas abiertos se caracterizan por tener una mayor interaccion o exposicion con el ambiente y depender en mayor medida de las condiciones del mismo. Los sistemas abiertos (Oswald y Golueke, 1960) son los que han tenido un mayor exito a nivel industrial por su menor coste, aunque su uso se ha limitado a determinadas especies extremofilas debido a problemas de contaminacion. Sin embargo, en su aplicacion para el tratamiento de aguas residuales, el control de la especie en cultivo no es tan determinante por lo que este tipo de reactores ha sido el mas utilizado. Estos reactores abiertos se conocen como reactores de carrusel o HRAP (siglas en ingles de High Rate Algae Pond “lagunas algales de alta tasa”). Este tipo de reactores, aunque se ha descrito su empleo en el tratamiento de aguas residuales con microalgas, no han sido adecuadamente optimizados, lo que se plantea como un reto fundamental.
Estos reactores abiertos, en adelante HRAP, son lagunas abiertas de escasa profundidad, con un nivel de lamina de agua que vana entre 0,2 y 0,6 m, con forma de carrusel alrededor de una pared intermedia (dos tramos rectos separados por un tabique y unidos entre sf por sus extremos mediante curvas). En estas lagunas el agua se hace circular a velocidades horizontales medias que vanan entre 0,2 y 0,4 m/s con la ayuda de un sistema de agitacion o acelerador de flujo del tipo paddlewheel o rueda de paletas. Las lagunas se pueden construir con laminas impermeabilizantes o sin ellas, dependiendo de las condiciones del suelo y la normativa local. El CO2 suele anadirse a la laguna mediante un sistema de inyeccion contracorriente situado en un foso con deflector de aproximadamente 1,5 m de profundidad. Las curvas se construyen con la misma anchura que los tramos rectos del canal, o ligeramente mas estrechas en la zona de la rueda de paletas y con varios deflectores curvos para evitar el desprendimiento del flujo y la formacion de zonas muertas (Figura 1, estado de la tecnica).
El diseno de los HRAP para el cultivo de algas no ha sido modificado y apenas se ha mejorado desde los anos 50. Ademas, adolece de dos problemas principales que reducen su eficiencia y que se solucionan mediante la presente invencion:
1) elevada cantidad de energfa consumida en el proceso de agitacion
2) baja productividad por sedimentacion de biomasa.
Con respecto a la elevada energfa consumida en la agitacion del cultivo, este consumo de energfa se debe principalmente a:
- problemas hidraulicos en sistema de carbonatacion
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- problemas hidraulicos en las curvas
- bajo rendimiento hidraulico en el sistema de agitacion empleado. Problemas hidraulicos en el sistema de carbonatacion
Habitualmente el sistema de carbonatacion empleado consiste en un foso con deflector vertical, donde el gas es burbujeado con CO2 desde el fondo, en sentido contrario al flujo. Este tipo de deflectores representa un obstaculo brusco para el flujo horizontal en el reactor HRAP, originando una perdida de carga importante, que es la perdida principal en un HRAP convencional, y que se estima en valores del coeficiente K de perdida localizada (ver mas abajo) proximos a 4. Recientemente se ha conseguido mejorar la configuracion de los sistemas de carbonatacion mediante la eliminacion del tabique y la reubicacion del dispositivo de inyeccion de gas con suficiente exito como para reducir significativamente estas perdidas (solicitud de patente espanola P201231485).
Problemas hidraulicos en las curvas
Las curvas de 180° utilizadas habitualmente, como las mostradas en la Figura 1 (estado de la tecnica), tienen una anchura media de radio/canal curvo= 0,5, que es muy reducida, lo que origina perdidas de carga importantes. Las perdidas de carga h se pueden estimar a partir del coeficiente K de perdida localizada, segun la siguiente ecuacion:
h = K
v*~ X —
imagen1
El coeficiente K puede tener unos valores muy elevados en las curvas convencionales. Para la reduccion de estas perdidas, los disenos mas utilizados hasta la fecha (Sompech, Chisti et al. 2012) incluyen la division de la curva en varios canales mediante deflectores circulares para minimizar las zonas de separacion del flujo (ver Figura 1, estado de la tecnica). Estos deflectores reducen las zonas muertas y las perdidas de carga asociadas, no obstante, al dividir la curva hasta en cuatro canales, se originan perdidas de carga por friccion con valores de K de aproximadamente 2, como se refleja en Lundquist T.J. (2010). Este valor sigue siendo muy elevado y debe minimizarse para que estos sistemas sean mas rentables. Otro intento reciente de reduccion del consumo energetico en las curvas, aparece en el artfculo Liffman, Paterson et al. (2013), quienes realizaron una simulacion fluido-dinamica mediante tecnicas CFD con el programa Ansys Fluent, poniendo de manifiesto la posibilidad de reduccion energetica en las curvas convencionales de hasta un 87 %, gracias a un diseno de profundidad variable y seccion constante, con un estrechamiento desde el tramo recto del canal hasta la curva en forma de gota (Figura 2, estado de la tecnica). Sin embargo este diseno tiene varios problemas:
- el estrechamiento se realiza asimetricamente con respecto al eje central del canal recto, por lo que el flujo F sale de la curva descentrado con respecto a dicho eje. Lo anterior origina una distribucion de velocidades no uniformes, con mayores velocidades en la cara externa del canal recto. Asimismo este sistema requiere equipos de agitacion convencionales de tipo rueda de paletas, ya que es diffcilmente adaptable a agitadores sumergibles.
- la costosa construccion de los muros laterales y el fondo del canal de las transiciones debido a la complejidad de las funciones cos(X), necesarias para una transicion suave.
- no incluye ningun sistema de carbonatacion ni eliminacion de solidos sedimentables.
Bajo rendimiento hidraulico en el sistema de agitacion
El sistema de agitacion habitualmente utilizado es, por ejemplo, el referido en las patentes estadounidenses US 3.855.370 y US 8.142.167. Este sistema consiste en una rueda de paletas que impulsa el agua al girar sobre su eje, segun se describe en la Figura 3 (estado de la tecnica). La ventaja de este sistema es que permite trabajar con niveles bajos de lamina de agua, como los utilizados habitualmente en los HRAP, entre 0,2 y 0,6 m. El problema es que este dispositivo tiene una eficiencia hidraulica y global (hidraulica y mecanica) muy baja.
- Rendimiento hidraulico = energfa hidraulica de agitacion/energfa en el eje de giro.
- Rendimiento energetico global del sistema = energfa hidraulica de agitacion/electricidad consumida
Se han comunicado valores de rendimiento hidraulico tan bajos como un 17% (Borowitzka, 2005) y 10% (Chiaramonti, Prussi et al., 2013), y del rendimiento energetico global del sistema tan bajos como un 4 % (Richmond, 2003) o 5% (Chiaramonti, Prussi et al., 2013), aunque algunos estudios hablan de valores superiores, 40% aproximadamente (Weissman JC, 1989). El motivo es que las paletas pierden gran parte de la energfa en empujar hacia abajo el flujo durante la entrada de la paleta en el agua, y en bombear y extraer el agua verticalmente durante la salida de la paleta.
Se han producido algunos intentos por sustituir la rueda de paletas por otros dispositivos energeticamente mas eficientes. En concreto, se han utilizado agitadores sumergibles de alta velocidad o bombas axiales (las bombas axiales son, en realidad agitadores sumergibles de alta velocidad con flujo guiado). Por ejemplo, estos agitadores de alta velocidad fueron los utilizados en los HRAP de cultivo de microalgas en la planta de tratamiento de aguas residuales de Riudecanyes, Tarragona (1.500 habitantes; Garda, J., y Mujeriego, R. (1999)), o en un reciente
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estudio emprendido por Chiaramonti, Prussi et al. (2013). En este artfculo los agitadores sumergibles son de alta velocidad de rotacion (normalmente > 700 rpm) y pequeno diametro (normalmente entre 100 y 400 mm) y se colocan en un estrechamiento del canal principal, a modo de venturi. Mediante este sistema de agitadores de alta velocidad, en la referencia propuesta, se reivindica un ahorro energetico del 60,5 % en una laguna de 500 m2 y del 65 % en una laguna de 5 m2, con respecto al sistema convencional de rueda de paletas. Sin embargo, este sistema propuesto tiene algunos problemas importantes:
a) Bajo rendimiento hidraulico: El rendimiento energetico asociado a la hidraulica en un agitador sumergible depende del factor de potencia es (N/kw), o cociente entre el empuje de la Fheiice (Newtons) y la potencia absorbida Pi (kw) en el punto de trabajo.
F helice
imagen2
Cuanto mayor es el factor de potencia, mayor eficiencia tendra el agitador, ya que es capaz de impulsar una mayor corriente con menor energfa consumida. El factor de pontencia de los agitadores sumergibles de velocidad elevada y pequeno diametro es un valor bajo, comprendido entre 100 y 300 N/kw, lo que resulta en bajos rendimientos energeticos.
b) Perdida de carga elevada en el sistema venturi: Los agitadores sumergibles de alta velocidad de rotacion tambien tienen una velocidad de flujo elevada, a menudo superiores a 10m/s. Estas velocidades de flujo generan una contraccion y expansion desde esa velocidad hasta alcanzar 0,2-0,3 m/s en el canal recto y por tanto, turbulencias e importantes perdidas de carga asociadas.
c) Estres celular: Las velocidades de rotacion elevadas, superiores a 100 rpm y normalmente superiores a 700 rpm, pueden afectar a algunos tipos de algas, especialmente a las filamentosas y flageladas, aunque demuestran en su artfculo que no se produjeron danos en el cultivo espedfico que ellos estaban desarrollando.
d) Necesita una elevada sumergencia o lamina de agua sobre la helice para evitar el efecto vortice y la cavitacion, debido a la succion generada por la velocidad del flujo en la bomba.
e) Bajo rendimiento volumetrico (medido como el ratio entre el caudal efectivo real en el HRAP y el caudal de flujo impulsado por la helice): El agitador del artfculo referenciado se coloca en un sistema venturi en canal abierto, lo que provoca un reflujo desde la mayor presion de impulsion a la menor presion de aspiracion, a traves de las holguras entre la helice y el canal. Estos reflujos producen una disminucion del rendimiento volumetrico, de forma que el caudal efectivo real en el HRAP es inferior al caudal efectivo impulsado por la helice, a veces incluso un 50 % menos en algunas simulaciones fluido-dinamicas realizadas para la presente patente. Otra solucion para evitar estos reflujos es colocar un muro donde alojar el agitador, utilizando en este caso uno en forma de bomba axial, como se hizo en la planta de tratamiento de Riudecanyes (Tarragona). El problema son las elevadas perdidas de carga provocadas en el estrechamiento del orificio resultante y una hidraulica muy defectuosa, con zonas muertas. En esta planta de tratamiento, de hecho, se produjeron importantes zonas de sedimentacion de solidos que impidieron el correcto funcionamiento del sistema.
En terminos de baja productividad por sedimentacion de biomasa, este es otro de los problemas habituales en las HRAP, debido a la acumulacion incontrolada de biomasa en zonas muertas como consecuencia de los defectos en el diseno hidraulico comentados antes, principalmente en las curvas y en el fondo. En las curvas convencionales se producen estas zonas muertas en las caras externas de los deflectores y en la pared divisoria central del HRAP a la salida de la curva. Esta acumulacion de la biomasa reduce la productividad de las algas, y por tanto su valor asociado. Tambien se produce una sedimentacion incontrolada en el fondo debido a la defectuosa agitacion del sistema convencional de rueda de paletas. Por ello se han desarrollado sistemas complejos para extraer la gran cantidad de biomasa que este sistema no es capaz de mantener en suspension, como el presentado en la patente US 3.969.249. Este elevado nivel de sedimentacion tambien se produjo en la planta de tratamiento de Riudecanyes, donde se utilizaron agitadores rapidos con hidraulica defectuosa.
A la vista de los problemas de eficiencia energetica y productividad detectados en los sistemas de reactor de carrusel abierto o lagunas algales de alta tasa, incluso cuando se ha mejorado el diseno hidraulico del canal (sobre todo en las curvas del mismo), la presente invencion tiene por objeto mejorar el diseno de dispositivos de carrusel que se usan habitualmente, de tal forma que de forma conjunta y sinergica, se mejore la hidrodinamica de todo el sistema.
Referencias bibliograficas
Borowitzka, M. (2005). "Culturing microalgae in outdoor ponds." Algal Culturing Techniques.Andersen RA (Ed). Elsevier Academic Press, CA, EE.UU.: 204-218.
Chiaramonti, D., M. Prussi, et al. (2013). "Review of energy balance in raceway ponds for microalgae cultivation: Re-thinking a traditional system is possible." Applied Energy 102(0): 101-111.
Hager, W. H. (2010). "Wastewater Hydraulics, Theory and practice." (Capftulo 2): 33.
Garda, J., y Mujeriego, R. (1999). Oxigenacion fotosintetica en lagunas para la depuracion de aguas residuales. Tecnologfa del Agua 195, 57-64.
Liffman, K., D. A. Paterson, et al. (2013). "Comparing the energy efficiency of different high rate algal raceway
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pond designs using computational fluid dynamics." Chemical Engineering Research and Design 91(2): 221-226. Lundquist TJ, W. I., Quinn NWT, Benemann JR (2010). "A realistic technology and engineering assessment of algae biofuel production." Energy Biosciences Institute.
Richmond, A. (2003). "Handbook of microalgal mass culture. Blackwell science Ltd."
Sompech, K., Y. Chisti, et al. (2012). "Design of raceway ponds for producing microalgae." Biofuels 3(4): 387-397. Weissman JC, T. D., Goebel RP (1989). "Design and operation of an outdoor microalgae test facility, Final Subcontract Report." Microbial Products Inc. Vacafille, California 95688.
Solicitud de patente espanola P201231485: Sistema de carbonatacion para cultivos de microalgas en reactores abiertos.
US 8.142.167: Paddlewheel apparatus
EP 2524962 A1: Algae Culture System
MX 2012013346A: Microalgae growth pond design
US 3.855.370: Mixer for algae ponds
US 3.969.249: Solid Remover for High Rate Algae Ponds
Breve descripcion de la invencion
La presente invencion se refiere a un reactor abierto de carrusel o lagunas algales de alta tasa (HRAP) para el cultivo de microalgas o el cultivo mixotrofico de microalgas-bacterias, donde se reduce el consumo de energfa del dispositivo de agitacion entre un 80 y un 90 % con respecto a los sistemas convencionales actualmente utilizados, y se toma en cuenta que la productividad de la biomasa algal tambien se optimiza gracias a la configuracion de los tramos principales que componen el canal. La reduccion del consumo de energfa se ha realizado gracias a un nuevo diseno de HRAP con mejoras hidraulicas y mejoras en el sistema de agitacion. Por consiguiente, la presente invencion proporciona un reactor de laguna algal de alta tasa (HRAP) como el descrito en la reivindicacion 1.
El reactor abierto HRPA objeto de la patente, presenta un canal de flujo por el que discurre la lamina de agua de cultivo con un nivel de agua que vana entre 0,2 y 0,6 m, en forma de rectangulo redondeado de cuatro secciones: dos tramos rectos paralelos separados por un tabique intermedio y unidos en sus extremos por curvas (dos) de 180° en forma de semidrculos, cada una de ellas dotada de una entrada y una salida en funcion de la direccion en la que discurre la lamina de agua; y que comprende al menos un sistema de agitacion del flujo de agua, tambien denominado en la presente memoria, acelerador de flujo, situado a la salida de una de las curvas hacia el tramo recto contiguo del canal.
Siguiendo las ensenanzas de la tecnica anterior para lograr mejoras hidraulicas, al menos una de las dos curvas y en concreto, la curva contigua al acelerador de flujo, es 2 a 4 veces mas estrecha que el tramo recto del canal (B) y tiene un radio de curvatura medio (R) 1 a 2 veces mayor que la anchura de la propia curva y se une al extremo del tramo recto situado a su entrada mediante una zona de transicion, que es un estrechamiento de paredes planas con forma de trapecio isosceles, donde de los dos lados paralelos, el mas largo corresponde a la anchura del tramo recto y el mas corto a la anchura de la entrada de la curva, que presenta un incremento de la profundidad en la misma proporcion en la que se estrecha su anchura con respecto al tramo recto, y una longitud tal que el ratio entre dicha longitud y la anchura del tramo recto del canal esta comprendido entre 1 y 3.
De esta forma, el area de la seccion transversal de la zona de transicion (tambien llamada en la presente memoria descriptiva zona de estrechamiento) y el area de la propia curva se mantienen en todo momento constantes e iguales al area de los tramos rectos del canal, de tal forma que se consigue que la velocidad de flujo tambien se mantenga constante y en valores tfpicos comprendidos entre 0,2 y 0,4 m/s. Es decir, la configuracion del canal de flujo tanto en lo relativo a la curva como a la introduccion de una zona de transicion entre la curva y el tramo recto significa que no habra grandes variaciones en las diferentes secciones del mismo y como consecuencia, en las velocidades de flujo, de tal forma que no se altera la hidrodinamica del sistema. Ademas, al presentar planos rectos en paredes y fondo, se facilita el proceso de construccion. Este diseno permite minimizar la perdida de carga y las zonas muertas. Ademas la profundidad de la curva propuesta permite una sencilla transicion al sistema de agitacion. Asimismo, a la salida del sistema de agitacion hacia el tramo recto se incluye una segunda zona de transicion como la anteriormente descrita, entre la curva y la entrada del sistema de agitacion.
De acuerdo con la tecnica anterior, este diseno de reactor HRAP con curva mejorada y transiciones entre tramos presenta la siguiente configuracion: una primera curva, convencional; un primer tramo recto del canal; una primera zona de transicion; una segunda curva, mejorada; un sistema acelerador de flujo; una segunda zona de transicion; y un segundo tramo recto del canal hasta la primera curva, convencional. Esta configuracion reduce la energfa de agitacion al utilizar al menos una curva mejorada, ademas del nuevo sistema acelerador de flujo. Presenta la caractenstica fundamental de que aprovecha la profundidad que se consigue en las zonas de transicion y que son requeridas por el sistema acelerador de flujo propuesto, para insertar la curva, ya que esta tiene unas caractensticas geometricas similares en terminos de profundidad y anchura al sistema acelerador de flujo. Se puede decir, por tanto, que la principal mejora de esta invencion (nuevo sistema agitador), se acopla geometrica e hidraulicamente a la configuracion del canal, y por tanto, la misma transicion necesaria para uno de los elementos tambien se puede utilizar para la otra, con la consiguiente reduccion en los costes de construccion.
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En definitiva, para optimizar la productividad de la biomasa algal la nueva configuracion de la curva mencionada anteriormente minimizo las zonas muertas con respecto a una curva convencional, y por tanto la perdida de biomasa algal en el proceso de sedimentacion de solidos asociada.
De acuerdo con la presente invencion, para alcanzar las ventajas pretendidas en cuanto a la mejora en la agitacion del flujo de agua, el sistema de agitacion que comprende el reactor esta situado entre dos zonas de transicion, una a su entrada y contigua a la curva y otra a su salida y contigua a uno de los tramos rectos del canal, consistiendo en un dispositivo acelerador de flujo de helices (comercial, ampliamente utilizado en plantas de tratamiento de aguas residuales), con una produccion de flujo axial a una velocidad de rotacion igual o inferior a 100 rpm. El diseno de los alabes de estas helices permite dirigir un caudal elevado en direccion axial a partir de un bajo consumo energetico, obteniendose asf un rendimiento global de agitacion entre un 70 % y un 80 %. La helice se inserta en un conducto cerrado de paredes tubulares con dos extremos abiertos que permiten el paso de toda la lamina de agua por su interior, que se situa por debajo del nivel de la lamina de agua (es decir, que su parte o punto mas elevados se encuentran a una cota inferior al nivel de agua en el canal, y que consigue evitar el efecto vortice y tambien minimizar los reflujos de la impulsion a la salida de uno de los extremos del conducto a la aspiracion en el extremo opuesto del conducto gracias a un diametro interior del conducto tubular que permite pequenas holguras con respecto a la helice, entre 2 y 20 mm entre el extremo de las helices y la superficie interior de la pared del conducto (o dicho de otro modo: la diferencia entre el diametro interior del conducto tubular y el diametro de las helices esta comprendida entre 4 y 40 mm, es decir, el doble del hueco). Este punto es clave, ya que se comprobo que si dicha holgura era mayor, se producina una perdida hidraulica considerable por reflujos en la seccion anular.
El diseno del conducto tubular que contiene el dispositivo agitador de flujo se define por una perdida de carga minima, gracias a transiciones sin zonas muertas o desprendimiento de flujo en las paredes desde la salida de la curva y manteniendo el area de la seccion transversal aproximadamente constante y con un valor proximo al del resto del HRAP. Con este criterio de diseno en mente, las velocidades de flujo medias en todos los elementos del HRAP (sistema de agitacion, transiciones, curvas y canal recto) se mantienen aproximadamente constantes y con valores entre 0,2 y 0,4 m/s, segun el valor de diseno seleccionado.
El reactor abierto HRAP, objeto de la presente invencion, consiguio una reduccion del consumo de energfa de agitacion y una optimizacion de la productividad de la biomasa algal. Concretamente, se logro reducir el consumo de energfa de agitacion entre un 80 y un 90 % con respecto a los sistemas convencionales de rueda de paletas. Asimismo, como ya se ha afirmado antes, la configuracion de la curva minimiza las zonas muertas con sedimentacion incontrolada y por tanto la perdida de biomasa algal asociada. El sistema de agitacion, mas eficiente, genera un flujo uniforme en todo el canal, evitandose tambien sedimentaciones incontroladas en el fondo del HRAP, habitual en los sistemas convencionales.
En definitiva, son multiples las ventajas derivadas de la presente invencion. Concretamente, las ventajas conocidas que aporta el diseno de la curva de acuerdo con la tecnica anterior a la eficiencia energetica y la productividad del reactor son las siguientes:
- El diseno de curva propuesto presento unos coeficientes de perdida de carga entre 0,3 y 0,45, inferiores a los proporcionados por las curvas con deflectores convencionales K~2 (Lundquist, T.J., 2010). Por lo tanto se obtuvo una reduccion de energfa superior al 75 %. Esta reduccion se debe a una hidraulica mejorada, con un ratio entre el radio de curvatura medio R y la anchura de canal B entre 1 y 2. Por otro lado, la mayor profundidad del diseno de curva, comparada con las curvas convencionales, permitio una facil adaptacion al nuevo sistema agitador o acelerador de flujo, al tener que salvar una inclinacion menor con respecto al fondo del sistema acelerador de flujo, simplificandose asf las transiciones hasta el acelerador de flujo.
- Por ultimo, se ha podido comprobar que los estrechamientos y ensanches previos a la curva tuvieron una perdida
de carga inferior a la del tramo recto del canal equivalente de la misma longitud, lo que supone un ahorro
energetico adicional estimado en un 6,3 % para longitudes de transicion importantes, como la longitud del Ejemplo 2.
Aparte de lo anterior, se muestran algunas mejoras con respecto a la referencia Liffman, Paterson et al. (2013), que pueden servir de referencia, son las siguientes:
- La zona de transicion entre el tramo recto del canal y la entrada de la curva se realiza con un menor coste de construccion, ya que las paredes y fondo en la presente invencion son planos rectos inclinados, y no curvos, por lo que no estan definidos por la funcion coseno propuesta en dicho artfculo de Liffman, Paterson et al.
- Dicha zona de transicion (o estrechamiento) tiene forma de trapecio isosceles y es simetrico con respecto al eje
central del canal recto principal del HRAP. Esta simetna permite centrar el nuevo sistema de agitacion o de
aceleracion de flujo con respecto al eje del tramo recto del canal y no en su parte exterior, permitiendo una distribucion uniforme del flujo por toda su anchura.
El sistema de agitacion de acuerdo con la presente invencion utiliza agitadores sumergibles de baja velocidad de rotacion (<100 rpm). Estos agitadores o aceleradores de flujo estan constituidos por motorreductores y helices axiales de dos o tres paletas y estan optimizados energeticamente para dirigir axialmente un gran flujo de agua.
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Estos aceleradores de flujo han sido utilizados en instalaciones de tratamiento de aguas residuales, principalmente en carruseles o canales de oxidacion de plantas de tratamiento de aguas residuales. En estos canales ovalados en forma de rectangulo circular, el agua se suele hacer circular en el canal de flujo abierto a una velocidad horizontal entre 0,2 y 0,4 m/s, similar a la velocidad de un reactor HRAP convencional para el cultivo de microalgas. Sin embargo, hay una importante diferencia que consiste en el hecho de que los carruseles o canales de oxidacion de las plantas de tratamiento de aguas residuales suelen tener profundidades de lamina de agua superiores a 3 m y el presente caso esta disenado para tener profundidades de 0,2-0,4 metros (que es la profundidad empleada en los canales rectos principales de los reactores HRAP convencionales, porque es la profundidad adecuada para el crecimiento de algas en este tipo de reactores), insuficientes para el funcionamiento del equipo. Adaptar estos agitadores para funcionar con tan poca profundidad entre 0,2 y 0,4 m ha sido el principal reto tecnologico de la presente invencion y su principal novedad, ya que estos equipos nunca han sido utilizados en estas condiciones de trabajo y menos aun en este tipo de reactores.
Por otra parte, de acuerdo con la presente invencion tal y como se define en la reivindicacion 1, el diseno optimizado del sistema de agitacion consiste en insertar el dispositivo agitador en un conducto cerrado de pared tubular, abierto por sus extremos para permitir el paso axial de toda la lamina de agua por su interior, situado entre dos secciones de transicion (que se pueden construir con distintos materiales, como de calderena o poliester PRFV), uniendo la primera, la seccion circular del conducto con la seccion rectangular de la curva por un extremo y uniendo la segunda seccion de transicion, la seccion circular del conducto con la seccion de una segunda seccion de transicion del canal al otro extremo, con la misma configuracion que la primera., que tambien esta unida al tramo recto contiguo del canal. Como se ha explicado antes, el sistema acelerador de flujo se dimensiona con un area de la seccion transversal del mismo orden de magnitud que el resto del recorrido del reactor HRAP (canal recto, transicion y curvas). Asf, el agitador funciona como un “acelerador de flujo”, con velocidades de flujo comprendidas entre 0,2 y 0,4 m/s, velocidades que se mantienen por todo el HRAP. Los aceleradores de flujo tienen a su vez las siguientes ventajas frente a los sistemas de agitacion convencionales de rueda de paletas:
a) Se trata de equipos comerciales optimizados, existentes en el mercado, con una red comercial y postventa ampliamente extendida a nivel internacional con numerosos fabricantes, frente a los dispositivos de rueda de paletas que se hacen a medida para cada ocasion, sin una red comercial y postventa de los mismos, lo que encarece la inversion inicial y los costes de mantenimiento, asf como la calidad del equipamiento, que es mas caro.
b) Mejor rendimiento energetico hidraulico y global. Los fabricantes aportan valores de rendimiento energetico hidraulico superiores al 95 %, y entre el 75 % y 80 % del rendimiento energetico global del sistema. En la rueda de paletas hay una dispersion de datos importante. Si estimamos una media de los valores comunicados en un 20 %, con el acelerador de flujo se obtuvo una reduccion de consumo de aproximadamente un 75 %, tan solo por este concepto, sin contar las otras mejoras hidraulicas y energeticas de la invencion.
Frente a los agitadores sumergibles de alta velocidad, que han sido utilizados en alguna ocasion como alternativa de mejora a la rueda de paletas, cabe resaltar que los agitadores de baja velocidad propuestos en la presente invencion tienen un diametro muy superior al de los agitadores de alta velocidad (entre 900-4.000 mm frente a 100-400 mm), para el mismo caudal, ya que trabajan a menos vueltas (< 100 rpm frente a > 700 rpm). Las ventajas de utilizar agitadores de baja velocidad (<100 rpm) de gran diametro son las siguientes:
a) Mayor eficiencia hidraulica: Los aceleradores de corriente, de gran diametro y bajas revoluciones (<100 rpm) son equipos mucho mas eficientes energeticamente que los agitadores de alta velocidad de pequeno diametro (>700 rpm), para un mismo caudal suministrado. Esta eficiencia energetica se comprueba con un factor de potencia de estos agitadores de baja velocidad que presenta un valor entre 600 y 1.200 N/kw, que son valores 4 veces superiores a los 100-300 N/kw de los agitadores de alta velocidad. Este hecho se puede comprender con la grafica de la Figura 4 (estado de la tecnica), correspondiente a un fabricante de aceleradores comerciales (WILO-EMU), donde se comparan dos agitadores de distinto diametro y velocidad de rotacion. La figura muestra que el consumo energetico del agitador de mayor diametro (2.500 mm frente a 2.100 mm) y revoluciones mas bajas (29 rpm frente a 53 rpm), es un 30 % inferior para la misma velocidad de flujo, lo que indica la mayor eficiencia energetica del equipo de mayor diametro.
b) Menor perdida de carga. En la presente invencion, el conducto cerrado donde se situa el acelerador de flujo se diseno con un area de seccion transversal constante y con un valor proximo al del resto del HRAP (canal recto, transiciones y curvas), de forma que la velocidad se mantiene baja y con los mismos valores entre 0,2 y 0,4 m/s. Lo anterior es posible porque los agitadores de baja velocidad pueden trabajar a estas velocidades de flujo, inferiores a 1 m/s. Ademas, al disenar el conducto de esta forma, se evitaron las contracciones, expansiones y turbulencias del flujo de los agitadores sumergibles de alta velocidad, asf como sus perdidas de carga asociadas.
c) Menor estres celular: Al trabajar a revoluciones mas bajas (<100 rpm), las celulas algales se tratan con mas suavidad, frente al estres producido por los agitadores de alta velocidad, especialmente en algunas especies de algas flageladas o filamentosas.
d) Se evita el efecto vortice y la cavitacion, al estar insertado el dispositivo acelerador dentro de un conducto tubular cerrado (de seccion circular) y no en un canal rectangular abierto. Esta ultima opcion requiere una elevada sumergencia (lamina de agua sobre el agitador) para evitar este problema.
e) Aumento del rendimiento volumetrico (medido como el ratio entre el caudal efectivo real en el HRAP y el
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caudal impulsado por la helice) a valores superiores al 95 %, con respecto a valores del 50 % que se producen en un canal rectangular abierto. Dicho de otro modo, en el diseno propuesto en la invencion, el caudal efectivo real en el HRAP presenta valores proximos a los valores impulsados por la helice. Esto es debido a que el diseno propuesto conduce el flujo dentro de un conducto tubular o circular, con pequenas holguras entre la helice y el tubo (aproximadamente comprendidas entre 2 y 20 mm). En canales rectangulares abiertos, sin embargo, se producen corrientes parasitas o reflujos entre la presion mayor de impulsion y la presion menor de aspiracion, a traves de una amplia holgura existente entre la helice y el canal, reduciendose asf el caudal efectivo real en el HRAP.
El efecto mas importante a considerar en cuanto a la configuracion del reactor presentado en este documento, constituido por el sistema de agitacion disenado, es la sinergia entre dicho sistema y la curva en el mismo reactor y sobre todo al tener la disposicion contigua que se define en este documento. Asf, las principales ventajas que presentan ambos elementos del reactor son el menor consumo de energfa hidraulica (ver Tablas 3 y 8 mas adelante), como la perdida de carga de las curvas y la reduccion del consumo de energfa de agitacion. Sin embargo, no debe olvidarse que la configuracion de la curva y del sistema acelerador de flujo sobre todo en cuanto a su profundidad que permite mantener el area de todas las secciones constante produce efectos sinergicos que potencian esta reduccion de consumo de energfa y una mayor produccion de biomasa: el agitador necesita una profundidad determinada debido a su diametro (en el Ejemplo 1 que se presenta en este documento, esta profundidad alcanza aproximadamente 900 mm, siendo el doble, 1.800 mm en el Ejemplo 2), siendo esta profundidad a priori bastante superior a los tramos del canal recto principal, que realmente hacen las veces de reactor y que habitualmente presenta una profundidad de 300 mm, ya que las algas precisan de poca profundidad para asf poder permitir la penetracion de luz en la lamina de agua donde se cultivan. El desarrollo del sistema de agitacion optimo, como se describe en este documento, requirio la reconfiguracion de las demas secciones transversales, como las curvas, y se observo que la existencia de dos secciones de transicion a la entrada y a la salida de dicho sistema de agitacion permiten cambiar la profundidad entre secciones sin alterar la velocidad de flujo porque el area se mantiene constante, lo que se ve ademas potenciado por la configuracion de la curva contigua. De acuerdo con la invencion tal y como se define en la reivindicacion 1, la primera seccion de transicion descrita esta situada a la entrada del sistema de agitacion, antes del conducto tubular y la segunda seccion esta situada a la salida del conducto tubular, donde el acelerador de flujo impulsa el flujo de agua.
Antes de definir la configuracion final del reactor abierto, objeto de la presente invencion, se realizaron simulaciones fluido-dinamicas con tecnicas FCD donde se pudo comprobar comparativamente las lmeas de velocidad de un dispositivo agitador en un conducto abierto, ademas del flujo perfectamente guiado del conducto tubular de la invencion. De esta forma, el caudal efectivo real o neto en el HRAP pasa de un 50 % del caudal impulsado por la helice en el canal abierto a un valor superior al 95 % en la invencion (Figura 5).
Descripcion detallada de la invencion
Las realizaciones preferentes del reactor de laguna algal de alta tasa estan definidas en las reivindicaciones dependientes 2 a 13 asf como en la descripcion, la anchura de los dos tramos rectos (B1) esta comprendida entre 0,5 y 25 m, y la profundidad de la lamina de agua esta comprendida entre 0,2 y 0,6 m. Esto es importante en la medida en que su seccion se mantiene constante a lo largo de todo el recorrido, como se exige para la presente invencion.
En un caso preferente de la invencion, el reactor solo contiene un sistema de agitacion, pero las dos curvas del reactor abierto HRPA presentan la configuracion definida anteriormente y se unen ambas en sus dos extremos a los tramos rectos mediante dos zonas de transicion, de tal forma que el reactor comprende cuatro zonas de transicion, dos por cada curva. Esta realizacion es la que se muestra en la Figura 6 (vista en planta) y se define en la reivindicacion 3. En este caso, la configuracion del canal es la siguiente: primera curva mejorada; primera zona de transicion; primer tramo recto; segunda zona de transicion; segunda curva mejorada; sistema acelerador de flujo; tercera zona de transicion; segundo tramo recto del canal; cuarta zona de transicion hasta la primera curva mejorada. En este caso se cuenta con las ventajas derivadas de la nueva configuracion de la curva contigua al sistema de agitacion, mas las mejoras hidraulicas derivadas de la sustitucion de la otra curva convencional por la curva mejorada segun las ensenanzas de la tecnica anterior.
Tambien de manera preferente al menos una de las curvas, aunque tambien pueden ser las dos, comprende un deflector, con el mismo radio de curvatura que la propia curva, que permite mejorar las condiciones laminares del flujo. Estas condiciones son importantes de cara a minimizar las perdidas de carga y al correcto funcionamiento del sistema acelerador de flujo.
En otro caso mas preferente aun, como se define en la reivindicacion 4, el reactor HRAP no solo presenta dos curvas de configuracion mejorada, de acuerdo con las ensenanzas de la tecnica anterior, sino tambien dos sistemas de aceleracion de flujo como el descrito anteriormente, uno a la salida de cada una de las dos curvas del canal. Asf, en el caso en que la longitud del reactor lo requiera (determinada por la longitud de sus tramos rectos), se pueden instalar dos sistemas aceleradores de flujo, uno junto a cada curva, que ademas presentan la nueva configuracion definida en la presente invencion.
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El sistema de agitacion (ilustrado en las Figuras 6 y 7) contiene un tubo circular donde se aloja concentricamente el acelerador de flujo. Preferentemente, la longitud del tubo o conducto de pared circular es suficiente para normalizar el flujo horizontal (axial) antes y despues del acelerador de flujo y para facilitar las labores de mantenimiento del mismo. Mas preferentemente todavfa, dicha longitud esta comprendida entre 1 m y 5 m, suficiente para normalizar el flujo horizontal (axial). Esta longitud permite la colocacion de bocas de acceso para poder acceder al conducto. El tubo circular presenta un diametro D1 que se ajusta al diametro del agitador que se aloja en su interior, preferentemente con una holgura de 10 mm, entendida como la distancia entre el extremo de la paleta/helice del dispositivo acelerador y la pared interior del conducto circular.
El conducto circular debe estar totalmente lleno de agua, sin bolsas de aire, por lo que la parte superior de dicho conducto (que debe entenderse como el punto mas elevado de la pared externa del conducto tubular) siempre se situa a una cota (H4) por debajo del nivel inferior de la lamina de agua en el canal (por nivel inferior debe entenderse la mayor profundidad de la lamina en el canal, que en este punto corresponde a la profundidad de 0 m a la entrada del sistema de agitacion). Dicha cota puede estar preferentemente, pero sin limitarse a ello, comprendida entre 100 y 400 mm por debajo del nivel de la lamina de agua.
El dispositivo acelerador de flujo es un agitador convencional como el que ofrecen varios fabricantes, de diametro de helices/paletas variable, que puede ser por ejemplo en el presente caso, pero sin limitarse a ello, de 900 mm, como en el Ejemplo 1, o mas preferentemente de 1,8 m, como se ilustra en el Ejemplo 2. Tambien preferentemente, la velocidad de rotacion esta comprendida entre 30 y 80 rpm. Un analisis CFD, como los realizados para el diseno de la invencion, permitio calcular las perdidas de carga en todo el reactor HRAP a fin de seleccionar la potencia requerida para el agitador.
De forma opcional, pero que mejora significativamente el rendimiento de todo el reactor, el sistema de agitacion puede comprender ademas a su entrada un pozo de sedimentacion (de solidos), que evita la acumulacion de solidos a lo largo de todo el reactor, pero ademas es muy conveniente en cultivos con presencia de arenas y otros solidos sedimentables a las velocidades comunes del reactor (entre 0,2 y 0,4 m/s). Es conveniente situar el pozo de sedimentacion justo antes del conducto acelerador para evitar la entrada de solidos en el mismo y la acumulacion de dichos solidos en la cota mas baja, donde se situa la helice, lo que podna provocar problemas de funcionamiento. De esta forma, se evitan sedimentaciones incontroladas en el fondo del canal del HRAP, un problema habitual en los sistemas convencionales, gracias al diseno del pozo de sedimentacion de solidos sedimentables que puede situarse a la entrada del sistema de agitacion o acelerador de flujo. Este pozo de sedimentacion de solidos sedimentables que se puede situar a la salida de la curva y a la entrada del sistema de agitacion o de acelerador de flujo evita la acumulacion de los mismos en el HRAP mediante una sedimentacion controlada de solidos y su extraccion, manteniendo asf un cultivo mas estable en el tiempo.
El pozo de sedimentacion del sistema de agitacion esta situado entre la curva contigua a la que esta unida dicho sistema (es decir, a su entrada) y la entrada del conducto tubular situado en el interior del propio sistema de agitacion. Preferentemente, esta zona de sedimentacion controlada de solidos (denominada L4 en las Figuras) tiene una planta rectangular en la parte superior con una longitud L4 (por ejemplo, entre 0,5 y 1m) y una anchura B2 (igual a la de la curva), y fondo plano horizontal de seccion rectangular con una longitud L4 (igual a la zona superior) y una anchura B3 (por ejemplo, entre 0,4 y 0,6 m) en la parte inferior que coincide con la parte inferior del conducto tubular, estando ambas secciones unidas por planos inclinados para facilitar el desplazamiento descendente de los solidos. En el fondo plano y horizontal se puede colocar preferentemente una bomba sumergible para la extraccion de solidos sedimentados. El fondo plano horizontal se hace coincidir con el nivel mmimo del conducto tubular (denominado en las Figuras Z6), para facilitar la construccion y apoyo de todo el sistema durante la instalacion de la misma durante la obra.
A continuacion del pozo de sedimentacion de solidos descrito anteriormente, esta situada la primera seccion de transicion del sistema de agitacion descrito anteriormente, concretamente entre dicha zona de sedimentacion y la entrada del conducto circular en el que se situa el acelerador de flujo. En la realizacion preferente, la primera seccion de transicion consiste en un conducto cerrado (preferentemente constituido por una tolva) para la transicion entre un rectangulo de altura H2 y anchura B2 que corresponde a la seccion de la curva y un cfrculo de diametro D1 que corresponde a la seccion del conducto tubular, formada por 4 triangulos y cuatro tramos curvos. Esta primera seccion de transicion presenta pendientes de bajada comprendidas entre 1:4 y 1:6, y de nuevo mantiene constante la seccion transversal del canal de flujo. Para ello, el diametro D1 del cfrculo se calcula inicialmente de forma que su area circular sea la misma que la seccion trasversal en las curvas y ajustandolo en funcion de los aceleradores de corriente comerciales disponibles en base a ese valor, y teniendo en cuenta la holgura que debe presentar la superficie interior del conducto tubular con respecto al extremo de las helices/paletas del dispositivo acelerador.
Por otra parte, en esta realizacion preferente, la segunda seccion de transicion, situada entre la salida del conducto tubular (central) y la zona de transicion contigua situada a la salida del sistema de agitacion hacia el tramo recto contiguo es igual a la primera.
Tambien preferentemente, con o sin pozo de sedimentacion, el sistema de agitacion puede comprender tambien un sistema de carbonatacion. En las Figuras 7 y 8 dicho sistema de agitacion, que tiene una longitud L2, incluye el
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sistema de carbonatacion. Este sistema de carbonatacion, denominado L8 en las figuras 7 y 8, se aloja dentro del sistema de agitacion, concretamente entre la salida del conducto tubular que aloja el dispositivo agitador y la zona de transicion que se encuentra a la salida del sistema de agitacion y que lo conecta con el tramo recto contiguo. Dicho sistema de carbonatacion es, en la realizacion mas preferente, un sistema como el descrito en la solicitud de patente de invencion espanola P201231485 (HIDROTEC TECNOLOGfA DEL AGUA, S.A.), que elimina los deflectores verticales convencionales y por tanto el elevado consumo energetico asociado al deflector vertical, que es la principal perdida de carga en un reactor HRAP convencional (K~4). La configuracion de este sistema de carbonatacion se caracteriza fundamentalmente porque tiene un pozo con una anchura equivalente a la anchura del canal de flujo y una longitud comprendida entre la mitad y el doble de la anchura del canal, y por que comprende al menos un dispositivo inyector de gas dentro del foso, situado en la base del mismo y junto a la pared contraria a la direccion de entrada de flujo de agua, con una distancia desde la cara superior del dispositivo por la que se inyecta el gas hasta el fondo del canal de flujo comprendida entre 0,5 y 1,5 m, ambos lfmites incluidos. Debe tenerse en cuenta que aunque el sistema de carbonatacion este disenado segun los criterios reflejados en la solicitud de patente espanola P201231485, al tratarse de un canal mas estrecho que el tramo recto del canal del HRAP (en el Ejemplo 2, son 3 m en vez de 9 m), se debe mantener el area de la seccion horizontal del foso de carbonatacion, alargando la longitud del mismo proporcionalmente, pasando por tanto de 60 cm a 180 cm.
Debe indicarse que la seccion del canal se mantiene constante a lo largo de todas sus secciones para que el agua no sufra aceleraciones o desaceleraciones que aumenten el consumo energetico, a excepcion del pozo de sedimentacion de solidos y del sistema de carbonatacion contenidos en el sistema de agitacion. Estos elementos tienen una mayor area trasversal que el resto para posibilitar ambos procesos, sedimentacion y carbonatacion.
En el caso mas preferente de todos, el reactor HRAP se compone de los siguientes elementos, de acuerdo con el ejemplo mostrado en las Figuras 6, 7 y 8:
a) dos tramos rectos de canal (3, 3'), de anchura B1 (2'), comprendida entre 0,5 y 25 m y con profundidad de lamina de agua H1 entre 0,2 y 0,6 m. La seccion transversal del tramo recto, que se mantiene constante en las demas secciones para tener un flujo constante, se define como S = B1 x H1. En el canal del Ejemplo 2, B = 9 m y H1 = 0,3 m, el area de la seccion transversal sena S = 9 m x 0,3 m = 2,7 m2;
b) dos curvas (4, 4') a los extremos de los tramos rectos del canal (3, 3'), de radio de curvatura medio R y
anchura de canal B2. El ratio R/B2 esta entre 1 y 2. La seccion transversal de las curvas (4, 4') tambien se mantiene constante. En el Ejemplo 2 la seccion transversal sena equivalente a
S = B2 x H2 = 3 m x 0,9 m = 2,7 m2, igual por tanto a la seccion de los dos tramos rectos (3, 3'). En un caso preferente, las curvas (4, 4') con R/B2<1,5 contaran con un deflector de radio R;
c) cuatro zonas de transicion o estrechamientos (1'), de forma trapezoidal isosceles, entre el tramo recto del canal (3, 3') con anchura B1 y la curva (4, 4') de anchura B2, en longitudes L1e (zona de ensanchamiento o salida del flujo de agua de la curva) y L1c (zona de contraccion o entrada del flujo de agua de la curva). Este estrechamiento (1') mantiene una seccion transversal S constante, como la seccion transversal del tramo recto (3, 3'), disminuyendo de este modo la anchura en la misma proporcion que aumenta la profundidad H, a lo largo de la longitud L de los estrechamientos (1'). El ratio B1/B2 presenta unos valores entre 2 y 4. Por tanto, la profundidad H se incrementa al mismo valor a lo largo de la longitud L1. En el Ejemplo 2, para un tramo recto de canal (3, 3') de anchura B1 = 9 m y para una curva (4, 4') de anchura B2 = 3 m (B1/B2 =3), la profundidad de lamina de agua pasara de H1 = 0,3 m en el canal principal (3, 3'), hasta H2 = 0,3 m x 3 m = 0,9 m en la curva (4, 4').
La longitud L1 de la zona de transicion (1') se calcula con respecto a la anchura del tramo recto del canal (3, 3') de anchura B1, de tal modo que el ratio L1/B1 oscila entre 1 y 3. Estas transiciones (1') tienen menor perdida de carga que el canal recto (3, 3') equivalente, por lo que, en el Ejemplo 2 se ha optado por un ratio proximo al valor superior, siendo L1 = 24 m y L1/B1 = 2,66.
d) un sistema de agitacion (5), con un acelerador de flujo (16) situado en el interior de un conducto tubular (14) con dos extremos abiertos para el paso del flujo de agua, que se encuentra en la parte central del sistema de agitacion (5) de longitud L2, que incluye un pozo de sedimentacion (12) o eliminacion de solidos sedimentados y preferentemente tambien un sistema de carbonatacion (6). El sistema de agitacion (5) o acelerador de flujo de la Figura 8 muestra las distintas zonas que presenta de forma mas detallada, con objeto de ilustrar la invencion en una de sus realizaciones. Sin embargo, no debe considerarse una realizacion limitante de la misma:
- Una zona o pozo de sedimentacion controlada de solidos (12), de longitud L4 (entre 0,5 y 1m) y una anchura B2 en la parte superior y fondo plano horizontal de anchura B3 (de 40 a 60 cm) en la parte inferior, unidas ambas por planos inclinados para facilitar el desplazamiento descendente de los solidos. En el fondo plano horizontal se puede colocar una bomba sumergible para la extraccion de los solidos sedimentados. El fondo plano horizontal coincide con el nivel mmimo del conducto tubular, para facilitar la construccion y soporte de todo el sistema durante la instalacion del mismo durante las obras.
- Una seccion de transicion (13) entre la zona de sedimentacion (12) y el conducto circular (14) donde esta situado el acelerador de flujo (15). Se trata de un conducto cerrado constituido por la tfpica tolva fabricada con tecnicas de calderena para la transicion entre un rectangulo (H2xB2) y un cfrculo (diametro D1), formada por 4 triangulos y cuatro tramos curvos. De nuevo, esta zona mantiene su seccion transversal sustancialmente constante. Para ello el diametro D1 se calcula inicialmente de forma que su area circular sea
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la misma que la seccion trasversal en las curvas. En el Ejemplo 2:
S = H2xB2 = 3mx0,9m = 2,7m2
El diametro D1 obtenido tal y como se provisto, seria jS X- = 1,85 m. De todas formas este diametro debe
ajustarse en funcion de los aceleradores de corriente comerciales disponibles, proximos a ese valor. Para el Ejemplo 2, se selecciono un agitador comercial con un diametro = 1,8 m y el valor de D1 (seccion circular del conducto) es = 1,82 m, con una holgura de 10 mm entre el extremo de la helice y el conducto. La longitud L5 se calcula con pendientes de bajada de aproximadamente 1:4 a 1:6.
- Un conducto tubular (14), que es un tubo circular de diametro D1 donde se situa concentricamente el acelerador de flujo (15), preferentemente, con una holgura comprendida entre 2 y 20 mm entre el extremo de la paleta/helice del dispositivo agitador y la pared interior del conducto circular. La longitud L6 tiene un valor entre 1m y 5 m, suficiente para normalizar el flujo horizontal antes y despues del acelerador de flujo (15) y por motivos de mantenimiento. Para ello se pueden colocar bocas de acceso (17) que permitan acceder al conducto (14). El conducto circular esta totalmente lleno de agua, sin bolsas de aire.
- una segunda seccion de transicion (15), entre la salida del conducto tubular (14) y el sistema de carbonatacion (6). Consiste en una tolva similar a la primera seccion de transicion (13) de longitud L5; y
- un sistema de carbonatacion (6). Este sistema esta disenado segun los criterios reflejados en la solicitud de patente P201231485. Sin embargo, aunque se trata de un canal que es mas estrecho que el tramo recto del canal principal del HRAP (en el Ejemplo 2 son 3 m en vez de 9 m), se mantiene el area de la seccion horizontal del foso de carbonatacion (6), alargando la longitud del mismo proporcionalmente, pasando por tanto de 60 cm a 180 cm.
Breve descripcion de las Figuras
Figura 1 (Estado de la tecnica). Diseno convencional de una instalacion HRAP de cultivo de algas que incluye los principales elementos de consumo de energfa (estado de la tecnica):
1. Longitud total de la instalacion HRAP.
2. Anchura total de la instalacion HRAP.
3. Primer tramo recto principal.
3'. Segundo tramo recto principal.
4. Primera curva (con deflectores).
4'. Segunda curva (con deflectores).
5. Sistema de agitacion (rueda de paletas).
6. Sistemas de carbonatacion (uno en cada tramo recto).
Figura 2 (Estado de la tecnica). Diseno de instalacion HRAP propuesto por Liffman (2013) con curvas en forma de gota:
1'. Longitud de la salida de la curva.
2'. Anchura del tramo de canal recto de la instalacion HRPA.
5. Sistema de agitacion (rueda de paletas).
7. Flujo de agua de cultivo.
8. Estrechamiento del canal de flujo a la salida de la curva definido por la funcion cos(X).
Figura 3 (Estado de la tecnica). Vista en seccion transversal de un sistema de agitacion por rueda de paletas.
5. Sistema de agitacion por rueda de paletas.
9. Direccion de giro del sistema de agitacion por rueda de paletas.
10. Lamina de agua.
Figura 4. Relacion entre la velocidad de flujo en m/s (eje de abscisas) y la potencia consumida en kw (eje de ordenadas) de dos agitadores comerciales (gama WlLO-EMU) comparados. La variable APc representa el incremento (o diferencia) de potencia consumida entre agitadores. La lmea de color claro representa un modelo de agitador comercial TR221, de diametro de 2.100 mm, mientras que la lmea de color oscuro representa un modelo de agitador comercial TR225 de diametro 2.500 mm.
Figura 5. Trazas y perfil de velocidades (representadas por la gradacion de grises, donde disminuye la velocidad cuanto mas oscuro es el color) de una simulacion fluido-dinamica comparativa realizada entre un dispositivo agitador situado en canal abierto rectangular (imagen de la izquierda) y un dispositivo de agitacion situado en un conducto tubular cerrado de la presente invencion (imagen de la derecha).
Figura 6. Vista en planta de una realizacion preferente del reactor abierto para el cultivo de algas objeto de la presente invencion, donde las dos curvas presentan la misma configuracion definida y en los dos extremos de
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cada curva se incluye una zona de transicion hacia la region recta. En una de las curvas, tal como se define en la invencion, se incluye el nuevo sistema de agitacion entre la salida de la curva y la zona de transicion.
1. Instalacion HRAP o de carrusel, de longitud total L3.
1'. Zona de transicion entre el extremo de la curva 4 y 4' y el tramo recto contiguo del canal 3 y 3', de longitud L1c en la zonas de transicion de estrechamiento del canal de flujo, y Lie en las zonas de transicion de ensanchamiento del canal de flujo.
2. Anchura total de la curva.
3. Primer tramo recto principal, de anchura 2' (B1).
3'. Segundo tramo recto principal, de anchura 2' (B1).
4. Primera curva, de anchura B2 y radio de curvatura R.
4'. Segunda curva, de anchura B2 y radio de curvatura R.
5. Sistema de agitacion con acelerador de flujo, de longitud L2.
6. Sistemas de carbonatacion incluidos a la salida del sistema de agitacion 5.
7. Flujo de agua de cultivo.
Figura 7. Vista en alzado del sistema de agitacion o aceleracion de corriente (5) comprendido en el reactor de uno de los casos preferentes de la presente invencion, que presenta una zona de sedimentacion de solidos y un sistema de carbonatacion
6. Sistema de carbonatacion.
11. Entrada del flujo de agua desde la curva contigua al sistema de agitacion, de altura H2.
12. Zona o pozo de sedimentacion controlada de solidos, de longitud L4.
13. Primera seccion de transicion, entre la zona de sedimentacion 12 y el conducto tubular 14 donde se aloja el acelerador de flujo 15, de longitud L5.
14. Conducto tubular, de longitud L6, donde se aloja el acelerador de flujo 16.
15. Segunda seccion de transicion, entre la salida del conducto tubular 14 donde se aloja el acelerador de flujo 16 y el sistema de carbonatacion 6, de longitud L7.
16. Agitador o acelarador de corriente.
17. Boca de acceso, para acceder al conducto tubular 14.
18. Inyector/es de gas de carbonatacion.
Figura 8. Vista en planta del sistema de agitacion o aceleracion de flujo comprendido en el reactor de la presente invencion y mostrado en la Figura 7, que presenta una zona de sedimentacion de solidos y un sistema de carbonatacion.
6. Sistema de carbonatacion.
11. Entrada del flujo de agua desde la curva 4 contigua al sistema de agitacion 5, de anchura B2.
11'. Salida del flujo de agua desde el sistema de agitacion 5 a la zona de transicion 1', de anchura B2.
12. Zona o pozo de sedimentacion controlada de solidos, de fondo plano horizontal de anchura B3 (12').
13. Primera seccion de transicion, entre la zona de sedimentacion 12 y el conducto tubular 14 en el que se aloja el acelerador de flujo 15.
14. Conducto tubular, de anchura D1, en el que se aloja el acelerador de flujo 15.
15. Agitador o acelarador de flujo.
16. Segunda seccion de transicion, entre la salida del conducto tubular 14 donde se aloja el acelerador de flujo 15 y el sistema de carbonatacion 6.
17. Boca de acceso, para acceder al conducto tubular 14.
18. Inyector/es de gas de carbonatacion.
Figura 9. Perdidas de carga del reactor HRAP objeto de la invencion, correspondientes al Ejemplo 1. Las lmeas rectas clara y oscura representan la presion estatica a lo largo de los dos tramos rectos principales, siendo Ahcanal recto la perdida de carga a lo largo del tramo recto y calculada como la diferencia entre los puntos extremos. Ahexpansion representa la perdida de carga en una de las transiciones unidas a un tramo recto.
Figura 10. Perdidas de carga del reactor HRAP objeto de la invencion, correspondientes al Ejemplo 2. Las lmeas rectas clara y oscura representan la presion estatica a lo largo de los dos tramos rectos principales del canal de flujo, siendo Ahcanal recto la perdida de carga a lo largo del tramo recto y calculada como la diferencia entre los puntos extremos. Ahexpansion representa la perdida de carga en una de las transiciones unidas a un tramo recto. Figura 11. Vista del sistema de agitacion desde el exterior del canal de flujo, constituido por el conducto tubular situado entre dos tolvas fabricadas con tecnicas de calderena que constituyen las dos secciones de transicion. Figura 12. Vista frontal del interior del sistema de agitacion, que muestran el dispositivo acelerador de flujo dentro del conducto tubular desde la segunda seccion de transicion.
Figura 13. Vista frontal del sistema de agitacion desde la zona de transicion entre la salida del mismo y el primer tramo recto principal. Puede apreciarse la forma de trapecio isosceles de la zona de transicion y como disminuye la profundidad a medida que se incrementa la anchura del canal desde la salida del sistema de agitacion hasta el tramo recto contiguo.
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Ejemplos
Ejemplo 1. Diseno y confiauracion de un reactor de acuerdo con la presente invencion. Medida de rendimientos y productividad.
Se realizo la simulacion fluido-dinamica mediante tecnicas CFD en 3D con el programa ANSY fluent de un HRAP piloto de 500 m2 segun el diseno de la invencion, hasta la optimizacion de los parametros y posteriormente se realizo un piloto a escala real, para la validacion de los resultados.
Los parametros resultantes tras la optimizacion, segun la confiauracion del reactor mostrado en las Figuras 6, 7 y 8, son los siguientes:
H1 = 0,3 m (altura/profundidad de la lamina en el tramo recto del canal B1)
B1 = 3 m (anchura del tramo recto del canal)
B2 = 1,5 m (anchura de la curva)
H2 = 0,6 m
R = 1,5 m (radio de curvatura de la curva)
L2 = 11 m (longitud del sistema de agitacion)
L1 = 6 m (longitud de la zona de transicion entre la curva y el tramo recto)
L3 = 85,5 m (longitud total del reactor)
L4 = 0,5 (longitud de la zona de sedimentacion dentro del sistema de agitacion)
L5 = 3 m (longitud de la seccion de transicion entre la zona de sedimentacion y el conducto tubular que aloja el acelerador de flujo)
L6 = 3,5 m (longitud del conducto tubular)
L7 = 3 (longitud de la segunda seccion de transicion entre el conducto tubular y el sistema de carbonatacion)
L8 = 1 m (longitud del sistema de carbonatacion D1 = 920 mm (diametro del conducto tubular)
D = 900 mm (diametro total del acelerador de flujo)
H3 = 100 mm
El agitador elegido fue un modelo SB900 de la marca ABS, de 900 mm de diametro y baja velocidad de salida (79 rpm), pero con un elevado rendimiento global del 78 %, segun datos aportados por el fabricante.
Otros parametros de diseno son los recogidos en la Tabla 1.
Tabla 1. Parametros de diseno del reactor de laguna agitada de 500 m2
DATOS DE PARTIDA
Diseno de la invencion Convencional
Velocidad (m/s)
0,25 0,25
Densidad (kg/m3)
998,4 998,4
Lcontracciones y expan L1 (m)
6
Rugosidad (mm)
0,003 0,003
Area (m2)
500 500
Basandose en los parametros de diseno anteriores, la simulacion fluido-dinamica permite obtener las perdidas de carga h a lo largo del sistema como se presenta en la Figura 9. Basandose en las perdidas de carga h calculadas con la simulacion matematica, es posible obtener los coeficientes de perdida localizada K, segun la siguiente formula:
h = K
imagen3
Estos valores se presentan en la Tabla 2, que se completo con los valores de los coeficientes de perdida bibliograficos que se han referenciado mas arriba para el sistema convencional. A efectos de comparacion se calcularon los valores de perdida de carga del canal recto equivalente de longitud L1 = 6 m, que dio como resultado un valor Kzona de contraccion = Kzona de expansion = 0,160. Este valor es 25 % mayor que el valor K medio de expansiones y contracciones del nuevo diseno, debido al mayor radio hidraulico. Esto supone una mejora hidraulica adicional en el sistema propuesto.
Tabla 2. Coeficientes de perdida de carga
Coeficientes perdida
Diseno de la invencion Convencional
Kcurvas
0,44 2
Kzona de expansion (L = 6 m)
0,18 0,160
Kzona de contraccion (L = 6 m)
0,08 0,160
Kpozo carbonatacion
4
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Con los valores de K anteriores es posible estimar las mejoras hidraulicas representadas por la nueva configuracion del reactor, estimadas como la reduccion de la perdida de carga en todo el reactor. Las perdidas de carga para el sistema convencional se calcularon aplicando la ecuacion de Darcy previo calculo del factor de friccion por medio de la ecuacion de Colebrook-White, resuelta usando el metodo de Newton hasta una tolerancia de 1e-16. Fue posible comprobar que este sistema, da los mismos valores que los de la simulacion fluido-dinamica. Los resultados se presentan en la Tabla 3.
Tabla 3. Perdidas de carga y mejoras hidraulicas del nuevo diseno
Laguna 500 m2
Hrectas+accesorios (m) Hcurvas (m) Htotal (m)
Diseno convencional
0,026650 0,012750 0,039400
Diseno propuesto
0,013500 0,002810 0,016310
MEJORAS HIDRAULICAS
59 %
Segun la Tabla 3 y, dado que el consumo energetico P (w) es proporcional a la perdida de carga h (m) segun la formula,
_ px QXg xh ' n
se dedujo que el nuevo diseno supoma una reduccion de consumo de energfa debido a las mejoras hidraulicas del 59 %.
Sin embargo, la presente invencion tambien supone una reduccion de energfa debido al sistema de agitacion. El consumo de ene^a P en todo el HRAP es inversamente proporcional al rendimiento n del equipo de agitacion. El rendimiento energetico global del agitador seleccionado es del 78 %, segun el fabricante. Por otro lado el rendimiento volumetrico del agitador, medido como el ratio entre el caudal efectivo real (m3/s) en el HRAP y el caudal impulsado por la helice, se ha obtenido de la simulacion fluido-dinamica, y es equivalente a 0,225/0,230 = 0,976.
Este elevado rendimiento volumetrico se obtuvo mediante un proceso de optimizacion de la geometna del sistema acelerador de flujo, hasta minimizar las corrientes de reflujo parasitas, obteniendose finalmente una holgura de solo 10 cm alrededor de la helice. Dicho de otro modo, en el diseno propuesto, el caudal efectivo real en el HRAP presento unos valores del 97,6 % del caudal impulsado por la helice, con una perdida hidraulica de solo el 2,4 %. Esto es debido al hecho de que el diseno propuesto conduce el flujo hacia el interior de un conducto circular, con pequenos huecos entre la helice y el tubo (10 mm). De esta forma el rendimiento total del sistema acelerador de flujo es el siguiente:
Rendimiento total del sistema acelerador de flujo = Rendimiento global del agitador x rendimiento
volumetrico = 0,78x0,976 = 0,75
Los valores de la rueda de paletas se han obtenido como una media de los valores bibliograficos referenciados anteriormente.
Tabla 4. Rendimientos de agitacion
RENDIMIENTOS DE AGITACION
Diseno de la invencion Rueda de paletas
Rendimiento hidraulico+mecanico
0,78 0,235
Rendimiento volumetrico
0,976 0,85
Rendimiento global
0,75 0,2
Con estos rendimientos y las perdidas de carga h de la Tabla 3, se pudo calcular la potencia consumida en ambos sistemas
Tabla 5. Potencia consumida en ambos sistemas
Laguna 500 m2
Potencia (W) Potencia (w/m2)
Diseno convencional
434,13 0,868265
Diseno propuesto
47,95 0,095902
AHORRO TOTAL DE ENERGIA
89 % 89 %
En la Tabla 5 se puede observar como el ahorro en energfa consumida con el diseno propuesto fue del 89 % con respecto al sistema convencional. En este ahorro se tiene en cuenta la mejora del diseno hidraulico (Tabla 3) y la mejora del equipo de agitacion.
Ejemplo 2: Aplicacion del reactor HRAP objeto de la presente inyencion y descrito en el Ejemplo 1 en una planta de tratamiento de aguas residuales con reactores HRAP de 4.500 m2
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En el presente ejemplo propuesto se plantea la ventaja energetica que supone la presente invencion al aplicarse en una planta de tratamiento de aguas residuales realizada con HRAP frente al sistema convencional con fangos activos. La planta de tratamiento del presente ejemplo se diseno con reactores de tipo HRAP con una unidad de area de 4.500 m2, que es un tamano habitual para grandes instalaciones.
Se realizo la simulacion fluido-dinamica mediante tecnicas CFD con el programa ANSY fluent de un HRAP de 4.500 m2, segun el diseno de la invencion, hasta la optimizacion de los parametros. Los parametros constructivos finalmente resultaron ser los siguientes:
H1 = 0,3 m B1 = 9 m B2 = 3 m H2 = 0,9 m R = 4,5 m L2 = 16,4 m L1 = 24 m
L3 = 193+24x2+6x2 = 253 m
L4 = 0,6
L5 = 5 m
L6 = 4 m
L7 = 5 m
L8 = 1,8 m
H3 = 100 mm
D = 1.800 mm
D1 = 1.820 mm
El agitador seleccionado es un agitador de un diametro de 1.800 mm, de la marca ABS, modelo SB 1800, de baja velocidad de salida (38 rpm) y elevado rendimiento global = 0,8, segun datos del fabricante.
Otros parametros de diseno son los recogidos en la Tabla 6.
Tabla 6. Parametros de diseno reactor HRAP de 4.500 m2
DATOS DE PARTIDA
Nuevo diseno Convencional
Velocidad (m/s)
0,256 0,256
Densidad (kg/m3)
998,4 998,4
Lcontracciones y expan L1 (m)
24
Rugosidad (mm)
0,003 0,003
Area (m2)
4.500 4.500
Basandose en los parametros de diseno anteriores, la simulacion fluido-dinamica permite obtener las perdidas de carga h a lo largo del sistema como se presenta en la Figura 10. Basandose en las perdidas de carga h calculadas con la simulacion matematica es posible obtener el coeficiente de perdida localizada K. segun la siguiente formula:
h = K
imagen4
Estos valores se presentan en la Tabla 2, que se ha completado con los valores de los coeficientes de perdida bibliograficos referenciados anteriormente para el sistema convencional. A efectos de comparacion se calcularon los valores de perdida de carga del canal recto equivalente de longitud L1 = 24 m, resultando un valor Kzona de contraccion = Kzona de expansion = 0,552. Este valor es superior en un 55 % al valor K medio de las expansiones y contracciones del nuevo diseno, debido al mayor radio hidraulico. Esto supone una mejora hidraulica adicional en el sistema propuesto.
Tabla 7. Coeficientes de perdida de carga
Coeficientes perdida
Nuevo diseno Convencional
Kcurvas
0,31 2
Kzona de expansion (L = 24 m)
0,28 0,552
Kzona de contraccion (L = 24 m)
0,21 0,552
Kpozo carbonatacion
4
Basandose en los valores de K anteriores es posible estimar las mejoras hidraulicas que supone la nueva configuracion del reactor, estimadas como la reduccion de la perdida de carga en todo el reactor. Las perdidas de carga para el sistema convencional se calcularon aplicando la ecuacion de Darcy previo calculo del factor de friccion por medio de la ecuacion de Colebrook-White resuelta usando el metodo de Newton hasta una tolerancia de 1e-16.
5
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25
30
35
40
45
50
Se ha comprobado que este sistema, da los mismos valores que la simulacion fluido- dinamica. Los resultados se presentan en la Tabla 8.
Tabla 8. Perdidas de carga y mejoras hidraulicas del diseno de la invencion
Laguna 4.500 m2
Hrectas+accesorios (m) hcurvas (m) htotal (m)
Diseno convencional
0,050390 0,013370 0,063760
Diseno de la invencion
0,032930 0,002080 0,035010
MEJORAS HIDRAULICAS
45 %
Segun la Tabla 8 y, dado que el consumo energetico P (w) es proporcional a la perdida de carga h (m), segun la formula
= pxQ*9 *h ~ n
se pudo deducir que el nuevo diseno supoma una reduccion de consumo de energfa debido a las mejoras hidraulicas del 45 %.
Sin embargo, la presente invencion tambien supone una reduccion de energfa debido al sistema de agitacion. El consumo de energfa P en todo el HRAP es inversamente proporcional al rendimiento n del equipo de agitacion.
El rendimiento energetico global del agitador seleccionado es del 80 %, segun datos del fabricante. Por otro lado, el rendimiento volumetrico del agitador, medido como el ratio entre el caudal efectivo real (m3/s) en el HRAP y el caudal impulsado por la helice, se obtuvo de la simulacion fluido-dinamica y es equivalente a 0,691/0,743 = 0,93.
Este elevado rendimiento volumetrico se consiguio por un proceso de optimizacion de la geometna del sistema acelerador de flujo, hasta minimizar las corrientes de reflujo parasitas, obteniendose finalmente un hueco de tan solo 10 cm alrededor de la helice. Dicho de otro modo, en el diseno propuesto, el caudal efectivo real en el HRAP presento unos valores del 93 % del caudal impulsado por la helice, con una perdida hidraulica de tan solo el 7 %. Esto es debido a que el diseno propuesto conduce el flujo hacia el interior de un conducto circular, con pequenos huecos entre la helice y el tubo (l0 mm). De esta forma el rendimiento total del sistema acelerador de flujo es el siguiente:
Rendimiento total del sistema acelerador de flujo = Rendimiento global del agitador x rendimiento
volumetrico = 0,8x0,93 = 0,74
Los valores de la rueda de paletas se obtuvieron como una media de los valores bibliograficos referenciados anteriormente.
Tabla 9. Rendimientos de agitacion
RENDIMIENTOS DE AGITACION
Diseno de la invencion Rueda de paletas
Rendimiento hidraulico+mecanico
0,8 0,235
Rendimiento volumetrico
0,93 0,85
Rendimiento global
0,74 0,2
Con estos rendimientos y las perdidas de carga h de la Tabla 8, se pudo calcular la potencia consumida en ambos sistemas.
Tabla 10. Potencia consumida en ambos sistemas
Laguna 4.500 m2
Potencia (W) Potencia (w/m2)
Diseno convencional
2.158,22 0,479604
Diseno de la invencion
318,56 0,070792
AHORRO TOTAL DE ENERGIA
85 % 85 %
La Tabla 5 muestra como el ahorro en energfa consumida con el diseno propuesto fue del 85 % con respecto al sistema convencional. En este ahorro se tiene en cuenta la mejora del diseno hidraulico (Tabla 3) y la mejora del equipo de agitacion. Por lo tanto, con el diseno de la invencion se obtuvo un valor de 0,07 w/m2 frente a 0,479 w/m2 del sistema HRAP convencional.
Para comprobar la importancia de esta mejora energetica se compararon los datos de consumo energetico de tres tipos de plantas de tratamiento de aguas residuales municipales (DQO = 700 mg/l, NT = 40 mg/l, PT = 10 mg/l). En primer lugar una planta de tratamiento con el sistema convencional de fangos activos con eliminacion de N y P; en segundo lugar una planta de tratamiento de microalgas con sistemas HRAP convencionales; y por ultimo, la planta de tratamiento construida con las mejoras de la presente invencion. A efectos practicos se supuso que el
pretratamiento y el sistema de separacion y deshidratacion de biomasa era el mismo en las tres plantas, por lo que solo se comparo el reactor biologico de tratamiento.
Planta de tratamiento de 4.800 m3/dfa, realizada con lagunas de 4.500 m2: Superficie efectiva estimada: 5 8,1 ha = 81.000 m2 Numero de lagunas de 4.500 m2 = 18 uds.
Tabla 11 Pot,encia consumida en las tres Plantas de tratamiento de aauas residuales comparadas
Superficie ocupada (m2) Potencia consumida HRAP (w/m2) Potencia consumida (Kwh/dfa) Potencia consumida en reactor biologico (kwh/m3) Ahorro energetico
Fango activo
5.000 1.420 0,30 -
HRAP con rueda de paletas
81.000 0,479 932 0,19 37 %
HRAP de la invencion
81.000 0,07 138 0,03 90 %
En la Tabla 11 se muestra como el HRAP con un sistema convencional de sistema de agitacion por rueda de paletas 10 redujo la energfa consumida por una planta de tratamiento convencional por fangos activos, aproximadamente un 37 %. Esta reduccion puede ser insuficiente en muchos casos como para optar por este sistema de depuracion alternativo, teniendo en cuenta la desventaja de la superficie ocupada.
Sin embargo con el sistema propuesto por la presente invencion, el consumo energetico se redujo en un 90 % con 15 respecto a una planta de tratamiento convencional, valor que es muy atractivo de cara a la seleccion de esta tecnologfa de depuracion de aguas residuales, por su rentabilidad y rendimiento.

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Un reactor de lagunas algales de alta tasa (HRAP) para el cultivo de microalgas o cultivo mixotrofico de microalgas-bacterias que comprende:
    - un canal de flujo, por el que discurre una lamina de agua, con un nivel de agua que vana entre 0,2 y 0,6 m, en forma de rectangulo redondeado con cuatro secciones: dos tramos rectos paralelos, separados por un tabique intermedio y unidos en sus extremos por curvas semicirculares de 180°, cada una de ellas dotada de una entrada y una salida en funcion de la direccion en la que discurre la lamina de agua; y
    - al menos un primer sistema de agitacion de dicha lamina de agua, situado entre la salida de una de las curvas y el extremo del tramo recto contiguo del canal
    donde al menos la primera curva, contigua al sistema de agitacion, es 2 a 4 veces mas estrecha que los principales tramos rectos del canal y tiene un radio de curvatura medio 1 a 2 veces mayor que la anchura de la curva, estando la entrada de dicha curva unida al tramo recto contiguo mediante una primera zona de transicion que consiste en un estrechamiento desde el tramo recto hasta la entrada de la curva en forma de trapecio isosceles, de paredes planas, que presenta un incremento de la profundidad en la misma proporcion al estrechamiento de su anchura con respecto al tramo recto, y una longitud tal que el ratio entre la longitud y la anchura del tramo recto del canal esta comprendido entre 1 y 3; estando el reactor caracterizado por que:
    - el sistema de agitacion es un acelerador de flujo que comprende un dispositivo acelerador de flujo con una helice axial de flujo que produce un flujo axial a una velocidad de rotacion igual o inferior a 100 rpm, que esta alojado en el interior de un conducto cerrado de pared tubular con dos extremos abiertos para el paso de toda la lamina de agua cuyo por su interior, estando su punto mas elevado a una cota por debajo del nivel inferior de agua a la entrada del sistema de agitacion, y con una distancia entre el diametro interior del conducto y el extremo de las helices comprendida entre 2 y 20 mm; estando dicho sistema de agitacion situado entre dos secciones de transicion, uniendo la primera la seccion rectangular de la curva con la seccion circular del conducto por un extremo, y uniendo la segunda la seccion circular del conducto con la seccion de la segunda zona de transicion del canal por el otro extremo, con la misma configuracion que la primera, que tambien esta unida al tramo recto contiguo;
    siendo constante el area de seccion transversal de todas las secciones del reactor, y siendo tambien constante la velocidad del flujo entre 0,2 y 0,4 m/s.
  2. 2. El reactor segun la reivindicacion 1, donde la anchura de los tramos rectos del canal esta comprendida entre 0,5 y 25 m.
  3. 3. El reactor segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la segunda curva presenta la misma configuracion que la primera, y tanto la entrada como la salida de dicha segunda curva se unen a los extremos de los tramos rectos contiguos mediante una tercera y cuarta zonas de transicion como la definida para la entrada de la primera curva, de tal forma que el reactor comprende: el primer tramo recto; la primera zona de transicion hasta la primera curva; la primera curva; el sistema de agitacion; la segunda zona de transicion hasta el segundo tramo recto; el segundo tramo recto; la tercera zona de transicion hasta la segunda curva; la segunda curva; y la cuarta zona de transicion hasta el primer tramo recto del canal.
  4. 4. El reactor segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde la segunda curva presenta la misma configuracion que la primera, estando la entrada de dicha segunda curva unida al extremo del tramo recto contiguo mediante una tercera zona de transicion como la primera y estando la salida de dicha segunda curva conectada a uno de los extremos de un segundo sistema de agitacion como el primero, conectada a su vez por su extremo opuesto a una cuarta zona de transicion hacia el tramo recto contiguo, de tal forma que el reactor comprende: el primer tramo recto; la primera zona de transicion hasta la primera curva; la primera curva; el primer sistema de agitacion; la segunda zona de transicion hasta el segundo tramo recto; el segundo tramo recto; la tercera zona de transicion hasta la segunda curva; la segunda curva; el segundo sistema de agitacion; y la cuarta zona de transicion hasta el primer tramo recto del canal.
  5. 5. El reactor segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos una de las dos curvas comprende un deflector con el mismo radio de curvatura que la propia curva.
  6. 6. El reactor segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la longitud del conducto cerrado de pared tubular del sistema de agitacion esta comprendida entre 1 m y 5 m y el punto mas elevado de dicho conducto se encuentra a una profundidad bajo el nivel de la lamina de agua a la entrada del sistema de agitacion comprendida entre 100 y 400 mm, ambos lfmites incluidos.
  7. 7. El reactor segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la velocidad de rotacion del dispositivo acelerador de flujo esta comprendida entre 30 y 80 rpm, ambos lfmites incluidos.
    5
    10
    15
    20
    25
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    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
  8. 8. El reactor segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sistema de agitacion comprende un pozo de sedimentacion de solidos alojado a la entrada de dicho sistema y antes de la entrada del conducto cerrado de pared tubular, presentando dicho pozo de sedimentacion de solidos una forma rectangular en la parte superior de longitud entre 0,5 y 1 my una anchura igual a la anchura de la curva, y un fondo plano horizontal de longitud igual a la zona superior y una anchura entre 0,4 y 0,6 m en la parte inferior, que coincide con la parte inferior del conducto cerrado de pared tubular, estando las partes superior e inferior unidas por planos inclinados.
  9. 9. El reactor segun la reivindicacion anterior, donde la primera seccion de transicion entre el pozo de sedimentacion de solidos y la entrada del conducto cerrado de pared tubular donde se aloja el dispositivo acelerador de flujo consiste en un conducto cerrado que presenta un extremo rectangular de anchura y altura correspondientes a la forma de la curva contigua a la que esta conectado, y un segundo extremo circular de diametro igual al diametro del conducto cerrado de pared tubular al que esta conectado y donde el dispositivo acelerador de flujo esta situado, con pendientes de bajada comprendidas entre 1:4 y 1:6.
  10. 10. El reactor segun la reivindicacion anterior, donde la segunda seccion de transicion situada entre la salida del conducto cerrado de pared tubular y la zona de transicion del canal que esta conectada a la salida del sistema de agitacion hacia el tramo recto del canal es igual a la primera.
  11. 11. El reactor segun la reivindicacion 10, donde el sistema de agitacion comprende un sistema de carbonatacion entre la segunda seccion de transicion situada a la salida del conducto cerrado de pared tubular y la zona de transicion del canal situada a la salida del sistema de agitacion y que conecta dicho sistema con el tramo recto contiguo del canal.
  12. 12. El reactor segun la reivindicacion anterior, donde el sistema de carbonatacion consiste en un foso sin tabique deflector, situado en el fondo del sistema de agitacion y que tiene una anchura equivalente a la del canal de flujo y una longitud comprendida entre la mitad y el doble de la anchura del canal; y que ademas comprende al menos un dispositivo de inyeccion de CO2 dentro del foso, situado en la base del mismo y junto a la pared contraria a la direccion de entrada de la lamina de agua, con una distancia desde la cara superior del dispositivo por la que se inyecta el CO2 hasta el fondo del canal de flujo comprendida entre 0,5 y 1,5 m, ambos lfmites incluidos.
  13. 13. El reactor segun la reivindicacion 1, que consiste en:
    a) dos tramos rectos de una anchura entre 0,5 y 25 m;
    b) dos curvas a los extremos de los tramos rectos, con un radio de curvatura medio: ratio de anchura del canal comprendido entre 1 y 2, y un deflector con el mismo radio de curvatura que la curva;
    c) cuatro zonas de transicion del canal, dos entre los extremos de los tramos rectos del canal unidas a las entradas de las curvas contiguas y dos entre los sistemas de agitacion y los tramos rectos contiguos a las que estan unidas; donde el ratio entre la anchura del tramo recto y la anchura de la curva esta comprendida entre 2 y 4, de tal forma que la profundidad se incrementa gradualmente por el mismo valor a lo largo de la longitud de la zona de transicion, estando el ratio de la longitud de la zona de transicion y la anchura del tramo recto del canal comprendido entre 1 y 3;
    d) dos sistemas de agitacion, situados a la salida de las curvas, que contienen el dispositivo acelerador de flujo situado en el interior del conducto cerrado de pared tubular con dos extremos abiertos para el paso de la lamina de agua y cuya parte superior se encuentra a una cota por debajo del nivel de la lamina de agua a la entrada del sistema de agitacion, dichos sistemas de agitacion comprendiendo ademas:
    - un pozo de sedimentacion de solidos, de longitud comprendida entre 0,5 y 1m y con fondo plano horizontal en la parte inferior de anchura comprendida entre 40 y 60 cm, unido a la parte superior por planos inclinados, donde el fondo plano horizontal coincide con la parte inferior del conducto cerrado de pared tubular que aloja una bomba sumergible para la extraccion de solidos sedimentados;
    - una primera seccion de transicion entre el pozo de sedimentacion de solidos y el conducto cerrado de pared tubular, que consiste en una tolva fabricada con tecnicas de calderena para la transicion entre la forma rectangular de la curva y la forma circular del conducto cerrado de pared tubular, formada por cuatro triangulos y cuatro tramos curvos;
    - el conducto cerrado de pared tubular, que es un tubo circular donde se situa concentricamente el acelerador de flujo, de longitud comprendida entre 1 m y 5 m;
    - una segunda seccion de transicion, con la misma configuracion que la primera, entre la salida del conducto cerrado de pared tubular y un sistema de carbonatacion; y
    - el sistema de carbonatacion, que consiste en un foso sin tabiques deflectores, situado en el fondo del sistema de agitacion y de anchura equivalente a la anchura del canal de flujo y una longitud comprendida entre la mitad y el doble de la anchura del canal; y que ademas comprende al menos un dispositivo de inyeccion de CO2 dentro del foso, situado en la base del mismo y junto a la pared contraria a la direccion de entrada de la lamina de agua, con una distancia desde la cara superior del dispositivo por la que se inyecta el CO2 hasta el fondo del canal de flujo comprendida entre 0,5 y 1,5 m, ambos lfmites incluidos.
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