Análisis del funcionamiento de tanques DAF con y sin lamelas a través de la modelización de la hidrodinámica mediante técnicas CFD

Zusammenfassung

La flotación por aire disuelto (DAF, por sus siglas en inglés) es un proceso de tratamiento de agua que se utiliza para separar las partículas sólidas en suspensión del líquido. El proceso se basa en la adición de microburbujas de aire a la corriente de agua, lo que hace que las partículas sólidas se adhieran a las burbujas, formen los agregados de menor densidad y floten hacia la superficie, donde luego se separan por medios mecánicos. Este proceso se utiliza comúnmente en la industria del tratamiento de aguas residuales para eliminar contaminantes como aceites, grasas, sólidos suspendidos y materia orgánica. También se utiliza en la producción de alimentos y bebidas, minería y la fabricación de papel, entre otros. El DAF es altamente eficiente eliminando materia orgánica y se puede adaptar a una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, requiere de equipos especializados y un control cuidadoso de las condiciones de operación para lograr una separación óptima de sólidos y líquidos. En esta tesis se ha analizado la hidrodinámica de un tanque DAF y para ello, se ha desarrollado un modelo de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) de un DAF de agua y microburbujas, que se ha analizado utilizando enfoques mono-diámetro y multi- diámetro de estas últimas. Se ha introducido un nuevo concepto de Diámetro Crítico, que resultó ser una herramienta de bastante interés para los estudios CFD de los DAF. Se ha demostrado que la utilización de tamaños de burbuja de aire superiores o inferiores al valor del Diámetro Crítico afecta significativamente al contenido de aire, a la estructura del flujo y al límite del manto de agua blanca en el interior de la Zona de Separación (ZS). Los resultados obtenidos mediante el enfoque mono-diámetro estaban en línea con los datos experimentales en las condiciones de trabajo en las que la concentración de aire en la ZS tenía un valor casi constante. Sin embargo, no ha podido predecir el caso de la disminución progresiva de aire por debajo de la mitad de la altura de la ZS. Se requería un efecto combinado de burbujas con diferente velocidad de ascenso para reproducir una curva de perfil de aire suave, como la que se ha medido experimentalmente. En este contexto, el enfoque multi-diámetro ha demostrado ser adecuado para reproducir la estructura estratificada de flujo. Se ha comprobado que la solución obtenida mediante simulación en estado estacionario era suficientemente parecida a la obtenida mediante simulaciones transitorias para un tiempo de flujo suficientemente largo. Además, el modelo multifásico de Mezcla ha resultado ser adecuado para las simulaciones de tanques DAF y ha producido resultados similares a los del modelo de Euler-Euler. Al modelo previamente validado del tanque a escala piloto DAF se le ha añadido el modelo de 20 lamelas planas en la Zona de Separación. Se ha examinado el rendimiento del tanque DAF con lamelas (L-DAF) en dos condiciones de operación que se han identificado previamente, en las que el flujo estaba cortocircuitado o estratificado en ausencia de lamelas. Además, se evaluó la mejora en la eficiencia de eliminación de burbujas obtenida mediante la inclusión de lamelas en cada caso. En segundo lugar, se realizó una investigación en detalle del flujo que se forma en la Zona de Separación como resultado de la inserción del pack de lamelas en esa zona del tanque. El complejo flujo tridimensional observado entre las dos regiones, entre el manto de burbujas y el agua clarificada, está condicionado por la gran diferencia de densidad, que está causada por la presencia de lamelas. El análisis del flujo reveló un mecanismo hasta ahora desconocido en el que el gradiente de densidad desempeña un papel decisivo a la hora de impedir que las burbujas atraviesen las lamelas y acaben escapando con el agua clarificada. Se ha evaluado el impacto de la carga hidráulica en el rendimiento del L-DAF y su eficacia en la eliminación de burbujas. Se ha comprobado que las variaciones más significativas se producen en el flujo entre las lamelas, especialmente en la profundidad del manto de burbujas entre ellas, que aumenta a medida que lo hace la carga hidráulica. Sin embargo, el aumento de la profundidad del manto no es uniforme, sino que es más pronunciado en las primeras lamelas, entre las que pasa más caudal que entre las últimas, debido al mayor gradiente de densidad respecto al agua clarificada que existe en estas. Por último, se ha realizado un análisis paramétrico para evaluar el impacto de la variación de la longitud y de la separación entre lamelas en el comportamiento del tanque. Se ha analizado el efecto de estas modificaciones en la distribución de caudal, la estructura de flujo y la posición media de la capa de burbujas con respecto al suelo. También se ha evaluado el efecto de la reducción de la longitud de las lamelas y el aumento del espaciado interlamelar en el rendimiento de eliminación de burbujas de aire. Se ha encontrado que al incrementar el valor del conocido como “parámetro de la lamela”, que depende estas últimas dimensiones, se logra aumentar el caudal máximo que el tanque puede procesar y que, además coincide con los resultados experimentales de otros autores.