Principio de funcionamiento de la flotación por aire disuelto: dos detalles que deciden si el aceite sale seco o como lodo aguado

Dónde empieza el principio de funcionamiento y dónde se pierde habitualmente

El principio de funcionamiento de la flotación por aire disuelto cabe en una sola frase: el aire se disuelve en una corriente de agua a presión, se libera dentro del tanque como una multitud de microburbujas y esas burbujas se adhieren a las gotas de aceite y las elevan hasta la superficie.

• Cuánto aceite queda en el agua que sale del tanque
• Cuánta agua se arrastra con el aceite recuperado
• Si la unidad sigue dando ambos resultados, día tras día

Esos tres resultados los deciden tres cuestiones de construcción: cuán finas son las burbujas cuando se encuentran con el aceite, con qué uniformidad se reparten por el tanque y qué ocurre con el aceite una vez que está flotando.

Dos unidades pueden compartir huella y volumen de tanque y comportarse de forma distinta con las mismas aguas residuales, porque esas tres respuestas vienen de la geometría interior de la unidad y no de su tamaño. El diseño que recorre esta nota es una de esas geometrías —el separador de aceite por flotación por aire disuelto cubierto por el modelo de utilidad chino CN206486308U— y se lee como respuesta a dos quejas concretas sobre las unidades que ya están en el mercado.

La primera queja se refiere a cómo sale el aceite. Con un rascador mecánico, o por una salida de rebose practicada en el lateral del tanque, la capa flotante llega a la salida arrastrando bastante agua: el aceite recuperado queda diluido y el agua que podría haberse quedado en la planta se va con él. La segunda se refiere a cómo se fabrican las burbujas. Un recipiente de saturación convencional descarga su agua con aire disuelto directamente en el tanque de flotación; el agua y el aire de ese recipiente no se mezclan de manera uniforme, la solubilidad del gas es difícil de mantener y las burbujas llegan al tanque mal repartidas y con un tamaño que el diseño no controla realmente. Ninguna de las dos quejas se resuelve con un tanque más grande. El resto de esta nota se atiene, por tanto, a la geometría de un diseño concreto, de modo que cada pregunta quede anclada a una pieza que se puede señalar en un plano.

Seguir una gota de agua por dentro de la máquina

¿Cómo funciona la flotación por aire disuelto, en el orden en que viaja el agua? La secuencia es fija y cada etapa tiene una única tarea.

• Una corriente de agua clarificada se presuriza y se satura de aire, de modo que el aire pasa a disolución en lugar de formar burbujas.
• La corriente a presión se libera dentro del tanque y la caída de presión hace que el aire disuelto salga como microburbujas.
• Las burbujas se encuentran con las gotas de aceite en una zona de contacto y se adhieren a la superficie de la gota.
• Cada flóculo de gota y burbuja asciende, porque su densidad conjunta es muy inferior a la del agua.
• La capa de aceite se extrae de la superficie como concentrado y el agua clarificada sale por una cota inferior del tanque.

Esa secuencia es común a todas las unidades de flotación por aire disuelto del mercado. Lo que cambia es el equipo que lleva a cabo cada etapa, y conviene comprobarlo sobre un plano.

La máquina de un vistazo: techo cónico, fondo cónico y ningún rascador

La unidad de este recorrido es un tanque vertical con techo cónico y fondo cónico y sin ningún mecanismo rascador en su interior. La Fig. 1 es el diagrama de flotación por aire disuelto que lo acompaña, redibujado a partir del dibujo de la patente, con las referencias numeradas exactamente igual que en ese dibujo.

• 1 cuerpo del tanque · 2 techo cónico · 3 fondo cónico · 4 entrada · 5 salida · 6 purga (punto más bajo) · 7 salida de aceite (vértice).
• 8 entrada de agua con aire disuelto · 9 caja de liberación (tanque de acero cuadrado que aloja los liberadores) · 10 recipiente de saturación (tanque a presión con manómetro) · 11 compresor de aire móvil · 12 cámara de mezcla.
• 122 placa de criba (ranuras anulares, 20 mm). La numeración sigue el dibujo de la patente, de modo que la figura se puede leer junto al original.

Léalo en el orden en que viaja el agua y destacan tres cosas. La entrada de agua residual bruta está alta en la pared del tanque, así que el flujo empieza bajando por el exterior del cilindro central. El agua con aire disuelto llega al fondo de ese cilindro en lugar de entrar en el grueso del tanque. Y las dos salidas se sitúan en extremos opuestos del diseño: el aceite en el vértice y el agua tratada cerca de la base. Un separador de agua y aceite por DAF se compara normalmente por volumen de tanque, huella y un rendimiento de eliminación declarado, y ninguno de esos tres datos le dice qué sale por arriba.

Detalle 1: un techo cónico en lugar de un rascador

El techo del tanque es un cono y la salida de aceite está en su punto más alto. El aceite es más ligero que el agua, así que cuando los flóculos ascienden el aceite trepa por la superficie del cono y queda apretado hacia el vértice: cuanto más sube, menor es la sección que tiene que atravesar y más espesa se vuelve la capa de aceite. Lo que sale por el vértice es aceite concentrado con muy poca agua dentro.

• 1 rascador mecánico —una pieza móvil que arrastra la capa flotante, aceite y agua juntos. 2 la capa de aceite flotante antes de su retirada.
• 3 descarga por el vértice —la única salida que necesita el aceite. 4 aceite que se autoconcentra mientras trepa por el cono.
• ✗ izquierda: lodo aguado y una pieza móvil que mantener. ✓ derecha: aceite seco y cero piezas móviles.

Aquí es donde se decide la factura de eliminación. Un rascador mecánico arrastra una franja de agua de la superficie junto con el aceite, y esa agua viaja con el aceite hasta quien se lo lleva. Un techo cónico con salida en el vértice no lleva rascador y produce un concentrado más seco; además supone un motor, una cadena y un reductor menos que mantener a lo largo de la vida de la unidad.

El rascador y el cono se enfrentan a la misma capa flotante. La diferencia de contenido de agua procede de tres sitios:

• El barrido vuelve a incorporar agua. Una pala que recorre la superficie agita la manta y arrastra hacia el aceite el agua que hay debajo. Lo que sale es siempre una franja de mezcla de aceite y agua recién agitada.
• Una capa que se deja en paz se drena sola. El agua que hay entre los flóculos es más pesada que el aceite y, sin perturbación, percola de nuevo hacia abajo por los huecos por acción de la gravedad. Cuanto más crece la manta y más tiempo permanece, más seca se vuelve su parte superior.
• La sección que se estrecha la aprieta una vez más. El empuje ascensional lleva el aceite a un espacio cada vez más reducido y la capa se compacta. Lo que finalmente rebosa por el vértice es el aceite que ha estado más arriba y se ha drenado durante más tiempo. Un rascador trabaja según su ciclo de recorrido y retira capas finas que no han tenido tiempo de drenarse; la salida por el vértice se autorregula y no libera nada hasta que la capa ha crecido hasta ella.

Conviene nombrar la contrapartida antes de elegir un diseño solo por este detalle: una salida en el vértice depende de que la capa de aceite se acumule y se mantenga móvil, así que un agua residual cuyo aceite esté emulsionado —o una punta de carga que llegue más rápido de lo que los flóculos pueden ascender— no se comportará como el cono está diseñado para esperar. La geometría fija la parte superior del tanque, no la química que hay dentro.

Detalle 2: una cámara de remolino tangencial donde las burbujas terminan de formarse

El segundo detalle decide la calidad de las burbujas y, con ellas, la segunda mitad del problema de eliminación de aceite por flotación por aire disuelto. Las burbujas finas y uniformes se adhieren a las gotas de aceite. Las gruesas y desiguales o bien no encuentran las gotas o bien rompen los flóculos que ya se habían formado. Si la corriente de aire disuelto se descarga directamente en un tanque lleno de agua residual, se desgarra por cizalladura y sus burbujas coalescen en burbujas grandes e inútiles antes de haberse formado del todo.

Este diseño responde con un cilindro coaxial en el centro del tanque que trabaja como compartimento aislado. El agua con aire disuelto entra por el fondo de ese cilindro de forma tangencial, deslizándose por la pared interior en lugar de entrar disparada en línea recta. El agua gira formando un vórtice, la cizalladura libera el aire disuelto como una multitud de burbujas finas y uniformes y solo entonces se deja salir a las burbujas para que se encuentren con el agua residual.

• 1 agua con aire disuelto que entra tangencialmente —roza la pared de la cámara en lugar de entrar a chorro recto.
• 2 el vórtice: las burbujas terminan de formarse mientras giran en espiral dentro de la cámara.
• 3 la placa de criba por encima de la salida. El panel izquierdo es la vista superior; el panel derecho, la vista lateral.

En una frase: un chorro recto dispersa las burbujas, mientras que una entrada tangencial les permite girar y madurar primero dentro de la cámara. La patente expone la misma lógica con sus propias palabras: la disposición tangencial permite liberar por completo el aire disuelto y evita que el agua residual bruta entre en contacto con el agua con aire disuelto demasiado pronto.

Detalle 3: una placa de criba y una salida acampanada

El tercero es el más fácil de pasar por alto, porque pertenece a la salida de la cámara de mezcla y no al tanque propiamente dicho.

• Una placa de criba cubre la salida de la cámara, con ranuras anulares de 20 mm de ancho en la realización descrita en la patente. La corriente de burbujas en remolino tiene que atravesar esos anillos, lo que la peina hasta convertirla en una cortina repartida uniformemente en lugar de unos pocos chorros concentrados.
• Por encima de la placa, la salida se ensancha en un tronco de cono invertido a modo de trompeta. La cortina de burbujas se abre allí en abanico y se encuentra de frente con el agua residual aceitosa entrante, que es donde se produce la adherencia, antes de que los flóculos asciendan hacia el techo cónico.

• 1 El chorro concentrado sin la placa —las burbujas se agolpan en un solo canal y salen disparadas hacia arriba.
• 2 La placa de criba —montada atravesando la abertura del tronco de cono invertido; la corriente de burbujas en remolino tiene que pasar por sus ranuras.
• 3 La cortina de burbujas uniforme —la distribución queda peinada de manera homogénea después de las ranuras.
• 4 Las ranuras anulares (vista superior) —anillos concéntricos de 20 mm de ancho en la realización de la patente, con el número de anillos fijado según lo que exija la flotación.

Ninguno de los tres detalles es exótico por sí solo. La forma de la salida, la placa que va encima y su disposición se ven todos en un plano, y en conjunto son la diferencia entre una cortina uniforme de burbujas y un solo chorro concentrado dentro de un tanque.

Qué cifras llevar a una comparación y cuáles dejar fuera

La mayor parte del trabajo de diseño de flotación por aire disuelto que decide el resultado está en el saturador, la tasa de recirculación y la zona de contacto, y nada de eso se ve en la fotografía de un tanque ni en un plano de implantación.

Dos cifras se citan normalmente en primer lugar: el volumen del tanque y un rendimiento de eliminación, y ninguna de las dos viaja bien. Un rendimiento de eliminación pertenece a unas aguas residuales, una temperatura y una carga de aceite concretas, así que la misma unidad declarada frente a una corriente distinta es un número distinto. El volumen de tanque, por su parte, se parece más a una cifra de huella mientras no se especifiquen la zona de contacto y el saturador que hay detrás.

La única dimensión que este recorrido toma de la patente del separador de aceite es la ranura anular de 20 mm, y procede de la sección de realizaciones de ese documento. El tamaño de burbuja, la relación de recirculación y la relación aire/sólidos no se deducen aquí de la geometría del tanque, porque dependen de las aguas residuales y no del diseño. Las cifras de saturación citadas en el apartado siguiente son la excepción, y proceden de la memoria de la patente compañera del sistema de aire disuelto: describen lo que ese sistema está construido para hacer, no lo que devolverá una corriente concreta. Lea cualquier cifra de ese tipo como un método de partida y no como una especificación, y tome el dato confirmado del fabricante para su corriente de aguas residuales.

Cómo se compara este diseño con los sistemas DAF convencionales

Merece la pena poner tres disposiciones una junto a otra: el recipiente de saturación convencional que descarga directamente en el tanque de flotación, la balsa de flotación rectangular con rascador y el diseño que se ha recorrido más arriba. Las diferencias se aprecian en dos aspectos: dónde y cómo se fabrican las burbujas, y por dónde sale el aceite flotante del tanque y cuánta agua se lleva consigo.

Ponga las tres disposiciones una junto a otra y la ventaja de este diseño se concentra en un solo punto: el control de la burbuja. Las burbujas se forman dentro de una cámara aislada, en un vórtice, y se peinan a través de una placa de criba antes de liberarse; y esa misma placa evita que el agua residual bruta se encuentre con el agua con aire disuelto demasiado pronto, que es lo que impide que la población de burbujas se dañe antes de terminar de formarse. Del lado del aceite, el cono hace la concentración y ninguna pieza móvil toca la superficie del agua. Lo que eso compra es un concentrado más seco, menos agua que sale con el aceite y una línea de mantenimiento menos que con un rascador.

Errores frecuentes

• Comparar solo por volumen de tanque o por huella. Dos unidades con el mismo contorno pueden producir volúmenes muy distintos de lodo aceitoso para eliminación, y la diferencia es invisible en el plano de implantación.
• Dar por hecho que un mecanismo de retirada de aceite vale tanto como otro. Un rascador, una ranura de rebose y una salida en el vértice hacen cosas distintas con el agua que sale junto al aceite, y la diferencia llega en la factura de eliminación.
• Comprar por un rendimiento de eliminación de aceite declarado. El porcentaje pertenece a unas aguas residuales y al ensayo que lo produjo, y preguntar sobre qué corriente se midió es más informativo que la cifra misma.
• No preguntar nunca cómo se generan y se reparten las burbujas. Las burbujas que coalescen antes de llegar al aceite hacen el mismo trabajo que las gruesas, y es en el plano donde eso se ve.
• Contar los motores tarde. Todo lo que se mueve sobre la superficie del agua es una línea de mantenimiento, y un diseño sin rascador de superficie tiene una menos.

Autocomprobación antes de comparar proveedores

• ¿Por dónde sale el aceite del tanque y qué lo lleva hasta ahí? Pida el plano de la salida de aceite. Un separador de agua y aceite por DAF que dependa de un rascador lo mostrará; una geometría autoconcentradora, no.
• ¿Cómo se generan, se reparten y se protegen las burbujas mientras se forman? Pida ver el diagrama de flotación por aire disuelto de la zona de contacto, no solo el plano de contorno del tanque.
• ¿Cuántas piezas móviles tocan el agua de proceso o la capa de aceite? Cada una es una línea de mantenimiento a lo largo de la vida de la unidad, y cada una es un punto donde puede fallar un accionamiento.
• ¿Sobre qué corriente se midió el rendimiento de eliminación declarado y qué se midió: aceite, grasas o sólidos en suspensión?
• ¿Están la disposición de las salidas, el servicio del saturador y la geometría de la zona de contacto declarados para sus aguas residuales, o copiados de una tabla general?

Tres preguntas, entonces, y un plano detrás de cada respuesta. El diseño aquí descrito está cubierto por el modelo de utilidad CN206486308U, presentado el 27 de febrero de 2017 y público en Google Patents —una de las ocho primeras patentes de la cartera, todas ellas con el mismo inventor como primer autor. Las figuras anteriores están redibujadas a partir del dibujo de la patente, y las cifras citadas en esta nota se toman de las dos memorias de patente: la ranura anular de 20 mm, de la realización del separador de aceite, y los datos de saturación, del sistema de aire disuelto compañero. Lo que esas mismas preguntas devuelvan para su propia corriente —la disposición de las salidas, el servicio del saturador y la geometría de la zona de contacto en la unidad que le coticen— se confirma con el fabricante para su corriente de aguas residuales, en lugar de darse por supuesto a partir de esta nota.