Doctorado en Ingeniería de Procesos

El cromo es un metal comúnmente utilizado en la industria galvanoplástica, la cual genera aguas de enjuague que contienen concentraciones de cromo hexavalente por encima de las permisibles por la regulación ambiental. Varias alternativas de tratamiento se han propuesto para atacar este problema, de donde destacan los métodos electroquímicos. Entre estos últimos, un proceso atractivo es el que utiliza electrodos de hierro, los cuales son fuente para la generación electroquímica in situ del agente reductor, que químicamente reduce al cromo en el seno del líquido, de su estado hexavalente a trivalente. El efluente, pasa a un tanque de mezclado para propiciar la precipitación de los metales en hidróxidos metálicos, mediante el incremento del pH del medio, con la finalidad de separarlos del agua tratada. En este trabajo se presentan distintas estrategias para intensificar este proceso de tratamiento, con la finalidad de mejorar el desempeño hidrodinámico del reactor electroquímico y la etapa de precipitación. Para la evaluación del comportamiento de los procesos, tanto en el reactor electroquímico como en el de precipitación, se realizaron pruebas experimentales en reactores de mezcla completa y de jarras, las cuales se complementaron con estudios mediante la dinámica computacional de fluidos, para integrar la información del desempeño de los procesos bajo los diferentes escenarios probados. El capítulo dos detalla el estudio realizado mediante herramientas de dinámica computacional de fluidos al reactor electroquímico de anillos rotatorios, el cual ha mostrado altas eficiencias de remoción de cromo hexavalente en aguas contaminadas. Esta parte del proyecto da a conocer cuál es el enfoque de modelado más apropiado para simular la hidrodinámica que se desarrolla dentro del reactor. Se realiza la comparación de los resultados predichos por tres variantes del modelo de turbulencia κ-ε (standard, RNG y realizable) acoplado al modelo de múltiples marcos de referencia para simular la rotación del electrodo. También se evalúa el efecto de la posición de las fronteras del marco de referencia rotacional respecto a las fronteras del marco de referencia estacionario. Se demuestra que la predicción con el modelo κ−ε realizable en conjunto con la posición a 0° genera los resultados con mayor acercamiento a las mediciones experimentales de tiempo de mezclado obteniendo un 6% de error. En el capítulo tres se muestran los resultados de la incorporación de una novedad, la cual consiste en un reactor equipado con el electrodo estático de electro-deflectores agitado por dos impulsores de alabes inclinados, conocido como PBT. Los resultados de esta modificación se comparan respecto a los obtenidos con el desempeño del reactor electroquímico equipado con el electrodo dinámico de anillos rotatorios. La comparación se realiza de forma teórica para evaluar sus diferencias en cuanto a su desempeño hidrodinámico, y experimental para conocer su eficiencia frente a la reducción de cromo hexavalente. Para realizar la comparación, los reactores se operaron a la misma velocidad de agitación y al mismo número de Reynolds. Los resultados del análisis hidrodinámico muestran que el arreglo de electro-deflectores estáticos junto con el par de impulsores permite mejorar el tiempo de mezclado en 36%, incrementando la eficiencia hidráulica en 85% cuando el reactor se opera al mismo número de Reynolds. Se evidencia que la capacidad de circulación del reactor afecta directamente la tasa de reducción de cromo hexavalente, ya que los tiempos de tratamiento tienen una tendencia parecida a los tiempos de circulación axial. También se muestra que hay una reducción del consumo energético de al menos un 21% cuando el reactor es equipado con los electro-deflectores y el sistema de agitación de dos impulsores. En el capítulo cuatro se evalúan las condiciones de operación del reactor electroquímico, como son: configuración geométrica del electrodo, velocidad de agitación e intensidad de corriente. Para evaluar el cambio en la configuración del electrodo se utiliza el electrodo de anillos estáticos y electro-deflectores. Al operar el electrodo con anillos estáticos también se evalúa la necesidad de incorporar deflectores convencionales. Los sistemas de agitación del reactor están compuestos por dos impulsores PBT, de los cuales también se evalúa la separación entre ellos. Al realizar las simulaciones se consideró la interacción de la interfase líquido-gas. Los resultados revelan que por la posición de los impulsores es necesario tomar en cuenta en el modelo la interacción líquido aire para obtener una predicción más realista del patrón de flujo en la configuración de electro-deflectores. Resultado de los estudios, se obtuvo que la configuración con menor consumo energético fue la de los electro-deflectores con una separación entre impulsores igual a su diámetro pues sus características geométricas e hidrodinámicas le permiten ser más eficiente. En este sistema se exploró el efecto de la velocidad de agitación y de la intensidad de corriente. La velocidad de agitación aumenta la tasa de reducción de cromo hexavalente, hallando su límite en 300 rpm. En esta velocidad de agitación se exploró el efecto de la intensidad de corriente, de donde se encuentra una dependencia lineal del consumo energético del reactor respecto a esta variable en el rango evaluado. En el capítulo cinco se estudia la etapa de precipitación. Los estudios se realizan en un sistema de jarras agitado con dos tipos de impulsores, uno radial y otro axial. Se realiza la evaluación del efecto del pH al que se ajusta el efluente para realizar la precipitación en los valores de 4, 6, 7 y 9. Los resultados muestran que después de precipitar el agua tratada a un pH = 9.0, se obtiene un clarificado con pH neutro y se logran precipitar todas las especies. Se evalúa también el ambiente hidrodinámico de las jarras de forma experimental y numérica, determinando que el impulsor radial disipa mayor energía turbulenta respecto al impulsor axial. Por lo anterior, el impulsor axial propicia un ambiente hidrodinámico favorable para el desarrollo de los flóculos, lo que se traduce en velocidades de sedimentación mayores con respecto a las alcanzadas cuando la jarra se opera con el impulsor radial. Además, el impulsor axial consume solo el 50% de la energía que consume el impulsor radial.

En la presente investigación se analizó la hidrodinámica del fluido que se encuentra dentro de un tanque de agitación, el cual fluye debido a la energía que es transferida por un impulsor de flujo axial. Teniendo especial interés en los patrones turbulentos derivados de la generación de la energía cinética turbulenta y de su tasa de disipación. Así como su variación al modificar las superficies de un impulsor de 4 paletas inclinadas a 45°, al utilizar surcos en forma de U y V. Se realizaron mediciones de los campos de velocidad con la técnica de la velocimetría por imágenes de partículas en diferentes planos, con el objetivo de aplicar la metodología de la resolución angular. El sistema consta de un láser de doble pulso con una longitud de onda de 532nm y 75mJ. Una cámara con una resolución de 2360 X 1776 pixeles y una frecuencia de 16 tomas por segundo. El tanque de agitación empleado es de acrílico con un diámetro de 25cm (T), con cuatro deflectores de un espesor de 3mm y un ancho de 2.5cm, montados en las paredes internas de forma equidistante. El impulsor se colocó de forma concéntrica a una altura del fondo del tanque igual a C= 1/3T. El fluido de trabajo es agua y se emplean alrededor de 12 litros para llenar el tanque a una altura de 25cm (H). Además, se utilizó el programa comercial ANSYS® Fluent®, para realizar una simulación de los grandes remolinos, con el fin de investigar la afinidad de estos resultados con los obtenidos de forma experimental. La implementación de los surcos en las superficies de las paletas condujo a una reducción del número de potencia y del número de bombeo, sumado a esto, se modificaron las distribuciones de la tasa de disipación y de energía cinética turbulenta.

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