En aquest apartat es consideren les operacions unitàries en les quals letapa que controla el procés és la transferència de matèria. Tenen per objecte separar components o grups de components duna fase, generalment homogènia. La figura 1.5 mostra un esquema general daquest tipus doperació. Quan lagent separador (matèria o energia) interacciona amb el corrent dalimentació es generen dos o més corrents deixida de diferent composició, la qual cosa permet de separar o concentrar determinats agents contaminants dun determinat corrent. Tot seguit sen mostren alguns exemples.
Absorció. Labsorció consisteix en la separació dels components duna mescla gasosa mitjançant un líquid que absorbeix preferentment un dels components (figura 1.6). Per exemple, leliminació de SO2 de gasos de combustió mitjançant solucions bàsiques per evitar emetrel a latmosfera. Laireig en els processos biològics aerobis també consisteix en una absorció en la qual es posa en contacte aire amb la mescla de reacció amb la finalitat de transferir loxigen al medi de reacció.
Destil·lació-rectificació. La destil·lació consisteix a separar dos o més components duna mescla líquida a partir de les diferències entre les seues pressions de vapor. La mescla líquida, en entrar en ebullició, produeix un vapor que és més ric en els components més volàtils que la mescla original. El líquid que resta sempobreix en aquests components més volàtils. En la rectificació es produeix la separació duna mescla líquida o gasosa per contacte amb un vapor o líquid produïts per lescalfament o el refredament de la mescla original. Les dues fases són el vapor a la temperatura de condensació i el líquid a la temperatura debullició. Es produeix la transferència de matèria en els dos sentits: la fase gasosa senriqueix en els components més volàtils i la fase líquida en els menys volàtils. Aquestes operacions són típiques per separar components amb la finalitat de reutilitzar-los en un determinat procés industrial.
Assecament. Consisteix a reduir el contingut dun líquid, generalment aigua, que impregna un sòlid, mitjançant un gas, generalment aire. En aquesta operació es produeix una transferència de matèria de linterior del sòlid fins a la interfície per difusió i, en sèrie, una evaporació des de la interfície al si de laire circumdant (figura 1.7). Aquesta operació se sol utilitzar en estacions depuradores daigües residuals per a la deshidratació dels fangs digerits mitjançant eres dassecament per contacte directe amb laire atmosfèric.
Separació per membranes (figura 1.8). Els processos de separació per membranes constitueixen un grup doperacions bàsiques relativament noves en comparació amb les clàssiques de transferència de matèria (absorció, destil·lació, etc), però són cada vegada més importants quant a les seues aplicacions. Un exemple característic nés losmosi inversa, que separa un solut duna dissolució tot forçant el dissolvent a fluir a través duna membrana mitjançant laplicació duna pressió major que losmòtica (la pressió osmòtica és la que es dóna quan sequilibren una solució concentrada i una diluïda a través duna membrana tot passant el dissolvent de la diluïda a la concentrada). Així, amb losmosi inversa saconsegueix, a partir duna determinada solució, una de més concentrada i una altra de més diluïda. Una aplicació típica és lobtenció daigua potable a partir daigua marina (planta de dessalació).
1.4 Formes doperació
Un concepte important a lhora de dur a terme un procés de tractament és el de forma doperació: les instal·lacions poden treballar per càrregues o de forma contínua.
Operació discontínua, intermitent, periòdica o per càrregues. En aquest tipus doperació es carrega inicialment el sistema amb una quantitat de matèria, que es manté a linterior de la instal·lació fins que sobté la transformació desitjada. Seguidament es descarrega i es fan les operacions adequades de manteniment de lequip per deixar-lo en condicions diniciar una nova operació.
La figura 1.9 mostra la variació en el temps de la variable representativa del procés (concentració de lagent contaminant, per exemple), amb les dues característiques principals daquest tipus doperació:
La concentració de contaminant és funció del temps.
Loperació discontínua està constituïda per una sèrie de cicles idèntics (càrrega, transformació i descàrrega).
En una explotació en continu, com la que sha vist a lapartat 1.2 (figura 1.2), linfluent que sha de tractar entra de forma contínua i sobté un efluent tractat també de forma contínua, de manera que la variable que caracteritza la transformació (com pot ser la concentració dun determinat contaminant), una vegada assolit lestat estacionari, és independent del temps, encara que segons casos pot dependre de les coordenades geomètriques, és a dir, no ser constant a lespai.
Un exemple característic de processos discontinu i continu és el tractament biològic de la matèria orgànica en aigua residual.
El procés continu està constituït per dos elements (figura 1.10): el reactor de flux de pistó (on es produeix la degradació de la matèria orgànica per part dels microorganismes), i el sedimentador, on se separa la biomassa generada de laigua residual tractada. En aquesta configuració laigua residual sintrodueix de forma contínua al sistema i nixen dos corrents continus: laigua tractada, pel capdamunt del decantador, i el fang biològic (contaminant orgànic concentrat), pel fons.
La concentració de matèria orgànica en dissolució va disminuint a mesura que avança la reacció biològica al llarg del reactor, és a dir, és funció de la distància recorreguda, però es manté constant al llarg del temps quan el sistema arriba a lestat estacionari.
Aquest mateix procés es pot desenvolupar de forma intermitent mitjançant allò que es coneix com a SBR (sequencing batch reactor), en què un mateix tanc actua de reactor i decantador. En aquest cas la transformació es produeix al llarg del temps i no de lespai. Tal com sobserva en la figura 1.11, es carrega laigua residual al tanc, on hi ha un volum inicial, amb biomassa; una vegada ple, o a mesura que somple, es manté la mescla en suspensió i se subministra aire perquè la biomassa puga créixer a partir de la degradació de la matèria orgànica. Quan la concentració del contaminant orgànic en dissolució és suficientment baixa, satura lagitació i es manté el sistema en repòs de forma que la biomassa es decanta i sacumula al fons. Finalment, es descarrega laigua tractada, per una banda, i una fracció del concentrat, per una altra, (la purga de fang en excés). En aquest cas es té inicialment un volum daigua residual i, passat un temps, el volum daigua tractada més un petit volum de contaminant concentrat.
Com es pot observar, en el sistema continu es tracta aigua residual les 24 hores del dia; els temps morts de loperació intermitent disminueixen la quantitat de material tractat per unitat de volum del reactor.
1.4.1. Règim estacionari i no estacionari
Abans sha emprat un concepte, estat estacionari, que no sha definit. Es diu que un sistema es troba en estat estacionari quan les seues propietats es mantenen constants i invariables en el temps i en qualsevol punt del sistema, encara que poden ser diferents dun punt a un altre. Per exemple, en el reactor de flux de pistó que sha considerat anteriorment la conversió augmenta des de lentrada fins a leixida, de manera que la concentració de matèria orgànica en dissolució disminueix a mesura que laigua avança pel reactor, però és constant en qualsevol part duna determinada secció transversal: no hi ha variació en el temps i el sistema funciona en estat estacionari. Hi entra un cabal constant daigua contaminada (concentració constant de matèria orgànica), es mescla amb la biomassa que procedeix de la recirculació i, a mesura que circula pel reactor, disminueix la seua concentració, però és la mateixa en cada punt al llarg del temps.
Quan les propietats del sistema varien amb el temps en un determinat punt del sistema es diu que el sistema està en estat no estacionari. Aquest és el cas del segon exemple que sha considerat, en el qual la degradació de la matèria orgànica es du a terme en un reactor de tanc agitat, que funciona per càrregues, discontinu.
Tot procés discontinu o intermitent és, per definició, no estacionari. Existeix una variació de les propietats amb el temps. Altrament, un procés en continu pot funcionar en règim estacionari o en règim no estacionari. En particular, totes les posades en funcionament dun sistema en continu que es pretén fer funcionar en estat estacionari constitueixen un cas del funcionament clarament no estacionari. Daltra banda, una operació en règim estacionari és sempre contínua, no pot ser per càrregues.
En la pràctica és molt difícil mantenir un sistema continu en estat estacionari. Tal com han estat definits, en els sistemes de depuració solen haver-hi variacions considerables dels paràmetres del material que es tracta; per exemple, en el cas de les aigües residuals urbanes hi ha perfils diaris i estacionals de cabal i de concentració de contaminants que fan que el sistema no puga arribar a un estat estacionari pròpiament dit.
1.4.2. Inconvenients i avantatges dels dos tipus doperació considerades
El fet que en loperació intermitent el procés siga cíclic i discontinu implica que, a més del tractament de materials, siguen també de forma cíclica el funcionament de la instal·lació i lactivitat dels operaris. Per tant, les característiques essencials daquesta forma doperació són:
Elevada necessitat de mà dobra.
Temps morts doperació (períodes en els quals no sobté rendiment de la instal·lació).
En loperació en continu els materials entren de forma contínua al sistema i romanen a la instal·lació el temps necessari per assolir la transformació dissenyada. Així, les transformacions dels materials, el funcionament de la instal·lació i lactivitat de lhome que opera en el sistema son també continus. Així, doncs, les característiques de loperació en continu són:
Baixa necessitat de mà dobra.
No existeixen temps morts en el funcionament de la instal·lació.
Dacord amb aquestes característiques es pot concloure que els avantatges del procés en continu són:
Facilita lautomatització, la qual cosa estalvia costos de mà dobra.
Permet laprofitament de lenergia (calor o fred) mitjançant lús de bescanviadors de calor.
La productivitat és més alta: sobté una major quantitat de material tractat per unitat dinstal·lació.
Els desavantatges del sistema en continu són:
Les variacions importants de qualitat i/o quantitat dels corrents que shan de tractar provoquen inestabilitats en dificultar loperació en estat estacionari.
La posada en funcionament dun sistema en continu és costosa, per la qual cosa cal que la instal·lació sature el menys possible. Això implica que els equips shan de construir amb els millors materials i, en conseqüència, els costos dinversió són alts.
La versatilitat dels sistemes en continu és molt limitada: es dissenyen per a un determinat funcionament, de manera que qualsevol canvi produeix problemes. Lavantatge principal dels sistemes en discontinu és que poden ser molt versàtils.
Com a conclusió es pot afirmar que en termes generals el sistema en continu és recomanable com més gran siga el volum que sha de tractar i quan les característiques del corrent que sha de tractar siguen el més constants que siga possible. Altrament, quan el material siga limitat o hi haja grans variacions del sistema que cal tractar resultarà més adequat un sistema en discontinu.
1.5 Plantejament general de lanàlisi i el disseny de sistemes
Segons el que sha vist fins al moment es pot concloure que per a lestudi dun determinat sistema de tractament o dun procés natural basat en els fenòmens de transport cal tenir la informació que contenen els tres blocs indicats en la figura 1.12.
Lleis de conservació. Per deduir les equacions de conservació cal plantejar els balanços de propietat: balanços de matèria, energia i quantitat de moviment. Els balanços ens donen informació sobre la magnitud del canvi que es produeix en un determinat sistema i sobre les variacions de propietat que shi produeixen. Mitjançant la utilització del balanços es poden conèixer els estats inicial i final dun sistema (o les condicions dentrada i eixida en un sistema continu), però no la forma ni la velocitat a la qual es produeix el canvi.
Lleis cinètiques. Per conèixer la velocitat a què es produeix un canvi i les variables de què depèn cal recórrer a les lleis cinètiques, expressades matemàticament mitjançant les anomenades equacions de velocitat:
Cinètica química: quantifica la velocitat a la qual té lloc un determinat procés en el cas que es produïsquen reaccions químiques o transformacions de tipus biològic.
Cinètica física:
- Difusió per al transport de matèria.
- Conducció, convecció i/o radiació per al transport denergia.
- Fregament, per al cas de la quantitat de moviment.
Restriccions. Un tercer component imprescindible en lestudi dels sistemes és la informació sobre les restriccions naturals o duna altra mena que ha de satisfer el procés: les de lequilibri físic i químic, les condicions de contorn i daltres (economia, seguretat, legislació...).
Una vegada coneguda la informació referent als balanços, les lleis cinètiques i les restriccions és possible fer una formulació matemàtica del sistema model matemàtic, que es pot materialitzar en diverses formes: equacions, gràfics, taules, etc. A patir del model matemàtic lenginyer ambiental pot analitzar un determinat sistema: estudiar un procés de depuració, modelar el comportament dun riu o dun llac davant dun abocament tòxic, etc. També es pot emprar el model matemàtic per al disseny, és a dir, per definir les dimensions dun determinat sistema de tractament a partir de la informació sobre el material que cal depurar i sobre el grau de tractament necessari.