Diseño del electrodo de un reactor electroquímico mediante modelamiento y simulación hidrodinámica

88 páginas. Maestría en Ingeniería de Procesos.El proceso electroquímico se ha colocado como una alternativa importante para el tratamiento de aguas residuales con concentraciones de Cr (VI) superiores a las permitidas por la legislación en materia ambiental. A diferencia de los electrodos rotatorios reportados en otros trabajos, aquí se proponen dos tipos de electrodos estáticos de un reactor electroquímico para la remoción de este metal pesado, en el cual se mantiene la mezcla completa mediante impulsores tipo pitched blade turbine (PBT). En una de las configuraciones evaluadas se utiliza un electrodo estático con anillos intercalados, que tienen la función de cátodos y ánodos, y que se distribuyen a lo largo de la altura del reactor (Caso 1). La segunda configuración, utiliza dos tubos de acero inoxidable en forma de deflector (Caso 2). El objetivo de emplear electrodos estáticos es evitar el movimiento de los electrodos y hacer un uso más eficiente de la energía aplicada en la agitación. Los sistemas fueron analizados utilizando mediciones experimentales, así como dinámica computacional de fluidos (CFD, por sus siglas en ingles), herramienta moderna que se emplea en el diseño, evaluación y optimización de tecnologías en las diversas ramas de la ingeniería. El análisis se llevó a cabo con el software ANSYS Fluent®, el cual se ha aplicado con éxito en el estudio de tanques agitados, este análisis cumple con el objetivo de identificar cuál arreglo tiene un mejor desempeño hidrodinámico, cuantificando la energía utilizada para la agitación del fluido y los tiempos requeridos para alcanzar un cierto grado de homogeneidad en la concentración dentro del reactor. La validación de los resultados obtenidos con la simulación se realizó con la medición experimental del torque y de los tiempos de mezclado con la técnica de medición de conductividad eléctrica. El análisis CFD permitió identificar que el Caso 2 promueve una mejor circulación en todo el volumen del tanque reduciendo en un 70% el tiempo de mezclado, en comparación con los electrodos rotatorios. Para las pruebas experimentales, se utilizó un reactor electroquímico con una capacidad de 19 L, se construyeron los electrodos de acero al carbón y se realizaron pruebas de remoción de Cr (VI) a una concentración inicial de 130 mg/L. La remoción del Cr(VI) siguió una cinética de orden variable. Los resultados obtenidos muestran que el tiempo de tratamiento obtenido con los arreglos propuestos se reduce en al menos 50%, con respecto a los encontrados con electrodos rotatorios. Con toda la información generada en este trabajo fue posible calcular la energía total que se requiere en cada uno de los sistemas para remover 1 g de Cr (VI), los resultados muestran que los diseños propuestos reducen en 70% el consumo energético total para el proceso electroquímico, en comparación con los electrodos rotatorios, lo que demuestra que la mejora en la eficiencia hidrodinámica dentro del reactor, impacta directamente en los costos del proceso, haciéndolo más factible para la aplicación del tratamiento electroquímico a este tipo de efluentes a nivel industrial.Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (México)