tema 3 balances 2013 feb 13

TEMA 3.BALANCES DE MATERIA Y ENERGA EN MASAS DE AGUA

1. Introduccin2. Sistemas en estado estacionario3. Sistemas en estado no estacionario4. Balances de energa

1

Francisco Javier Bayo BernalCalidad de AguasGrado en Ingeniera CivilUniversidad Politcnica de Cartagena

1. Introduccin

1 LEY DE LA TERMODINMICA

Conservacin

DISTRIBUCIN DEL CONTAMINANTE

AIRE/AGUA

iw

iaaw C

CK =

SUELO/AGUA

Temperatura Otros disolventes Coloides pH

LEY DE HENRY (1803)

mmsw

omswsw KKK +=

om

omsw

om fKK =

a

mmsw

mm SKK =

Sistema cerrado

wqUEE cp =++

0= pE 0= cE

U = q-w

q = 0 AdibaticoV = 0 (reactor) U = q

== 3mmol

PaC

RTCCPK

iw

ia

iw

iaw

2

2. Sistemas en estado estacionarioDEFINICIN DE LOS LMITES DEL SISTEMA

Introduccin

Acumulacin

Reaccin Entradas al Sistema

Lmites del Sistema

Salidas del Sistema

Entrada = Salida + Reaccin + Acumulacin

ESTADO ESTACIONARIO CONTAMINANTE CONSERVATIVO

CONTAMINANTE NO CONSERVATIVO

Entrada = Salida + Reaccin

Entrada = SalidaAcumulacin = 0 Reaccin = 0

ESTADO NO ESTACIONARIO

Entrada - Salida = Transporte + Dispersin + Reaccin + Fuentes + Sumideros 3

2. Sistemas en estado estacionarioConservativo

MODELO DE MEZCLA

Metales pesados, NO3-, trazadores, Cl-

re

rreem QQ

CQCQC++

=

CONTAMINANTE CONSERVATIVO

Distancia de mezcladot

WuL

2

1,0=

Mezclado vertical: 90 veces ms rpido que mezclado transversal

RODAMINA-WT

IMAGEN TOMADA DE:Lin et al. (2003). Comparison of rhodamine WT and bromide in the determination of hydraulic characteristics of constructed wetlands. Ecological Engineering 20: 75-88.

xCv

xCD

xtC

xx

=

Prediccin de la concentracin (1D)

Entrada = Salida

4

Qe

Ce Cm

QrCr

2. Sistemas en estado estacionarioOrden 0CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVO

Entrada = Salida + Reaccin

OD, DBO, T, Cla, R-N, NH3-N, NO2-, NO3-, P, .o.

CN- + O3 CNO- + O2Cintica de orden cero0)( kdt

dCCr ==

0)( kdtdCCr ==

IMGENES TOMADAS DE:Parga et al. (2003). Destruction of cyanide waste solutions using chlorine

dioxide, ozone and titania sol. Waste Management 23: 183-191.

5

0VkdtdCV = tkCC 00 =

2. Sistemas en estado estacionarioOrden 1

6

Cintica de primer ordenCkCr 1)( =

CkCr 1)( =CVk

dtdCV 1=

tkeCC 10=

CONTAMINANTE REACTIVO O NO CONSERVATIVOEntrada = Salida + Reaccin

IMGENES TOMADAS DE:Kohpaei y Sathasivan (2011).

Chlorine decay prediction in bulkwater using the parallel second order

model: An analytical solutiondevelopment. Chemical Engineering

Journal 171: 232-241.

Degradacin del Cl2 en agua desinfectada

Cintica del proceso de eliminacin de microorganismos en aguas desinfectadas

IMAGEN TOMADA DE:Bayo et al. (2008). Disinfection

efficiency of secondary effluents withultraviolet light in a Mediterranean

area. WIT Transactions on Ecologyand the Environment 111: 511-520.


7

Cintica de primer orden


IMGENES TOMADAS DE:Holland et al. (2005). Analysis and modeling of suspended solids from

high-frequency monitoring in a stormwater treatment wetland.

Ecological Engineering 24: 159-176.

Eliminacin de contaminantes en humedales empleados como tanques de tormenta

SLIDOS EN SUSPENSIN FSFORO TOTAL

AMONIONITRATO

IMGENES TOMADAS DE:Carleton et al. (2001). Factorsaffecting the performance of

stormwater treatment wetlands. Water Research 35: 1552-1562.


8


Modificacin a la cintica de orden 1 IMAGEN TOMADA DE:Lemos de Souza et al.

(2009). Application of infraredand raman techniques in the

identification and quantification of plasticizers

in commercial films of PVSC. Qumica Nova 32: 1452-1456.

IMGENES TOMADAS DE:Vavlin (2007). Corrected first-order

model of DEHP degradation. Chemosphere 68: 1992-1995.

Eliminacin de DEHP del agua residual en CSTR

2. Sistemas en estado estacionarioPseudo-primero

9

Procesos de adsorcin de metales pesados en aguaCintica de pseudo-primer orden


Modelo de Lagergren (1898)

IMGENES TOMADAS DE:(1) Hanif et al. (2007). Kinetic studies for Ni(II) biosorption from industrial wastewater by Cassiafistula (Golden Shower) biomass. Journal of Hazardous Materials 145: 501-505; (2) Bayo et al.(2012). The use of native and protonated grapefruit biomass (Citrus paradisi L.) for cadmium(II)

biosorption: equilibrium and kinetic modelling. Environmental Technology 33: 761-772.

( )qqkdtdq

e = 1 ( ) tkqqq ee 303,2

loglog 1=

(1)

(2)eqkv 11 =


Cintica de segundo orden

22)( CkCr =

22)( CkCr =

22CVkdt

dCV =

tkCCC

20

0

1+=


02

11C

tkC

+=Depuracin de agua residual de la industria textil mediante reactor UAFB

IMGENES TOMADAS DE:Sandhya and Swaminathan (2006).

Kinetic analysis of treatment of textilewastewater in hybrid column upflow

anaerobic fixed bed reactor. ChemicalEngineering Journal 122: 87-92. 10

2. Sistemas en estado estacionarioPseudo-segundo

Proceso de bioadsorcin de Cd(II)Cintica de pseudo-segundo orden


IMAGEN TOMADA DE:Bayo et al. (2012). The use of native and

protonated grapefruit biomass (Citrus paradisi L.) for cadmium(II) biosorption: equilibrium and kineticmodelling. Environmental Technology 33: 761-772.

( )22 qqkdtdq

e =

ee qt

qkqt

+= 22

1

Modelo de Ho and McKay (1999)

ee qt

qk

tq+

=

22

1

222 eqkv =

11

2. Sistemas en estado estacionarioPseudo-segundo

Cintica de pseudo-segundo orden


12

IMGENES TOMADAS DE:Bayo (2012). Kinetic studies for Cd(II) biosorption from treated urban

effluents by native grapefruit biomass (Citrus paradisi L.): The competitiveeffect of Pb(II), Cu(II) and Ni(II). Chemical Engineering Journal 191: 278-287.

Eliminacin de Pb(II), Cu(II), Ni(II) y Cd(II) del agua residual mediante bioadsorbentes naturales

2. Sistemas en estado estacionarioPFR

MODELO DE FLUJO PISTN

13

No existe mezcla de los contaminantes a lo largo del recorrido (en el reactor de flujo pistn ideal no existe difusin axial)

QV

vlt ==

Elemento incremental

C C+CAx

Direccin del flujo

V

Entrada Salida + Reaccin = 0

( ) 0=++ CVkCCQQC dxAV =

ktCC = 0 ORDEN 0

kteCC = 0 ORDEN 1

ktCCC

0

0

1+= ORDEN 2

( )qqkdtdq

e = 1 PSEUDO-1

( )22 qqkdtdq

e = PSEUDO-2

2. Sistemas en estado estacionarioPFR

MODELO DE FLUJO PISTN

14

Decoloracin de agua residual mediante sistema UV/H2O2 en reactor de flujo pistn

IMGENES TOMADAS DE:Shu et al. (2005). Effects of gap size and UV dosage on decolorization of

C.I. Acid Blue 113 wastewater in the UV/H2O2 process. Journal of Hazardous Materials B118: 205-211.

CINTICA DE PSEUDO-PRIMER ORDEN

2. Sistemas en estado estacionarioPFRMODELO DE FLUJO PISTN

15

Anlisis del destino de contaminantes en humedales empleados como tanques de

tormenta

Tratamiento de escorrentas urbanas y agrcolas debidas a tormentas

Parmetros de funcionamiento

CARGAHIDRULICA

TIEMPO DERETENCIN

Intensidad de tormenta Volumen de escorrenta Tamao del humedal

CINTICA DE PRIMER ORDEN

AMONIO

FSFORO TOTAL NITRATO

IMGENES TOMADAS DE:Carleton et al. (2001). Factors affecting the performance of stormwater treatment wetlands. Water Research 35: 1552-1562.

2. Sistemas en estado estacionarioPFR-NO IDEAL

MODELO DE FLUJO PISTN NO IDEAL

16

Comportamiento ideal

Comportamiento no ideal

PFR (D=0)

CSTR (D)

2

2

xCD

tC

=

Ley de Fick

Coeficiente de dispersin axial

(m2/s)

Modelizacin de slidos en suspensin en un tanques de tormenta mediante

anlisis de la distribucin de tiempos de residencia

IMGENES TOMADAS DE:Holland et al. (2005). Analysis and modeling of suspended solids

from high-frequency monitoring in a stormwater treatmentwetland. Ecological Engineering 24: 159-176.

3. Sistemas en estado no estacionario

17

VARIACIN DE LA CONCENTRACIN DE UN CONTAMINANTE CON EL TIEMPO EN LA MASA DE AGUA

Sistema de respuesta dependiente del tiempo Modelizado por elementos incrementales Se asume modelo de mezcla completa en dicho elemento

Definicin

Entrada - Salida = Transporte + Dispersin + Reaccin + Fuentes + Sumideros

(Adveccin) (Difusin) (Transformacin: generacin o descomposicin)

Q, C

Elemento incremental

Q+Q, C+CAD

A+AD+D

So

Six

Direccin del flujo

V


18

Ecuacin

Entrada - Salida = Transporte + Dispersin + Reaccin + Fuentes + Sumideros

SIMPLIFICACIN

( )( )[ ] CVtCCQQtQC =++

Difusin molecular Movimiento browniano

Generacin Orden 0 Descomposicin Orden 1

CVkVk dg

So

Si

Acumulacin = Entrada Salida + Generacin - Descomposicin

CVkVkQCQCdtdCV dgi += VkQ

VkQCC

d

gi

+

+=Si: 0=dt

dC

xCDJ

=Ley de Fick

scmDagua /1025


19

Ecuacin

Para cualquier tiempo (t): ( )

++= tV

QkCCCtC dexp)( 0

A tiempo t = 0

( ) 00 0exp CCCCC =+=

A tiempo t =

( ) =+= CCCCC 00

C0

-

-

C0

C

C

Tiempo (t)

Con

cent

raci

n (C

)

VkQVkQC

Cd

gi

+

+=

VkQQCC

d

i

+=

Ct

4. Balances de energa

20

Entrada = Salida + Variacin de la energa interna

TmCU e=

Energa almacenada en el sistema

CALOR ESPECFICO Cantidad de energa necesaria para elevar en 1 C (15 C 16 C) la temperatura de 1 kg

de materia [J/kgC]

AGUA

4.184 J/kgc1 cal/gC1 Btu/lbF

Ecuacin

IMAGEN TOMADA DE:Masters (1991). Introduction to Environmental

Engineering and Science. Prentice-Hall: New Jersey.

Calores latentes de fusin y vaporizacin del agua

SOME ENGLISH TERMSTO BE FAMILIAR WITH

Balance de materia Mass balance Contaminante conservativo Conservative pollutant Contaminante no conservativo Non-conservative pollutant (Reactive pollutant) Distancia de mezclado Mixing length Estado estacionario Steady state Estado no estacionario Unsteady state (Dynamic state) Fuente Source Modelo de mezcla Mixing model Reactor continuo de tanque agitado Continuously stirred tank reactor (CSTR) Reactor de flujo pistn Plug flow reactor (PFR) (Tubular reactor) Reactor discontinuo Batch reactor Rgimen turbulento Tidal regime Sumidero Sink 21

22

MASS BALANCE

TECHNIQUE

IMAGEN TOMADA DE: www.gifmania.com.es

WATER QUALITY BY A CIVIL ENGINEER

PLUG FLOW REACTOR

SOURCES AND SINKS

BROWNIAN MOTION

DYE TRACERS

23

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Bayo, J. (2012). Kinetic studies for Cd(II) biosorption from treated urbaneffluents by native grapefruit biomass (Citrus paradisi L.): Thecompetitive effect of Pb(II), Cu(II) and Ni(II). Chemical EngineeringJournal 191: 278-287

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Valsaraj, K.T. (2009). Elements of Environmental Engineering.Thermodynamics and Kinetics (3rd ed.) CRC Press: Boca Raton, FL.

Vavlin, V.A. (2007). Corrected first-order model of DEHP degradation.Chemosphere 68: 1992-1995.

Nmero de diapositiva 1Nmero de diapositiva 2Nmero de diapositiva 3Nmero de diapositiva 4Nmero de diapositiva 5Nmero de diapositiva 6Nmero de diapositiva 7Nmero de diapositiva 8Nmero de diapositiva 9Nmero de diapositiva 10Nmero de diapositiva 11Nmero de diapositiva 12Nmero de diapositiva 13Nmero de diapositiva 14Nmero de diapositiva 15Nmero de diapositiva 16Nmero de diapositiva 17Nmero de diapositiva 18Nmero de diapositiva 19Nmero de diapositiva 20Nmero de diapositiva 21Nmero de diapositiva 22Nmero de diapositiva 23Nmero de diapositiva 24Nmero de diapositiva 25Nmero de diapositiva 26

tema 3 balances 2013 feb 13

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