RESUMEN
RESUMO Neste artigo, apresenta-se uma abordagem conceitual sobre propostas de alternativas para a concepção de sistemas com reator anaeróbio de manta de lodo. Em essência, propõem-se: i) a eliminação dos separadores de gás, líquido e sólido que constam em reatores upflow anaerobic sludge blanket reactors e sua substituição por unidade de sedimentação de alta taxa em setor incluso ou externo ao volume do reator biológico; ii) a recirculação de parcela do lodo retido no sedimentador, transformando o conjunto em um sistema semelhante ao de lodo ativado, porém preservando a manta de lodo no reator anaeróbio (activated anaerobic sludge blanket system) e, assim, viabilizando melhor controle do tempo de retenção celular; e iii) a simplificação (menor número de entradas) do sistema de distribuição do afluente junto ao fundo da zona de reação, mediante duas alternativas: agitação mecânica ou agitação hidráulica com jatos — em ambos os casos, intermitentes. As propostas, conforme apresentadas, constituem resumo de pesquisa baseada em reatores de bancada sucedida pela operação e testes em duas unidades-piloto paralelas (volume total: 20,8 m3, incluindo volumes de reação e de sedimentação). Constatou-se que é possível remover sólidos suspensos do efluente da região de reação sem a necessidade do separador trifásico e, também, que é possível manter-se a manta de lodo mesmo com a agitação na região de reação. Foram obtidos bons resultados na remoção de sólidos suspensos totais, demanda bioquímica de oxigênio e demanda química de oxigênio nos sedimentadores com valores de taxa de aplicação superficial de 34,0 até 81,6 m3m-2dia. Constatou-se, também, que valores bastante baixos de gradiente de velocidade (G £ 20s-1) são suficientes para promover a manutenção da manta de lodo e que a intermitência na agitação é favorável ao processo biológico. Os resultados relacionados com a remoção de demanda química de oxigênio, demanda bioquímica de oxigênio e sólidos suspensos totais foram comparados com os de outros estudos sobre reatores upflow anaerobic sludge blanket reactors convencionais. Contudo, aqueles relacionados com o tempo de reação celulat foram os mais significativos para as conclusões desta pesquisa. Quando o reator foi operado com tempo de detenção hidráulica de 8,2 h e velocidade ascensional no reator biológico de 0,69 mh-1, o tempo de reação celular do sistema resultou em 175 dias. Com velocidade ascensional menores, os valores de tempo de reação nuclear foram ainda maiores (por exemplo: velocidade ascensional = 0,39 mh-1; tempo de reação celular = 363 dias). Os resultados deste trabalho abrem perspectivas para novas pesquisas e novos horizontes para projeto de sistemas com reatores anaeróbios de manta de lodo e decantadores de alta taxa.
ABSTRACT This paper presented a conceptual approach toward alternatives for the design of anaerobic sludge blanket reactors. In essence, it is proposed: i) the elimination of gas-liquid-solid separators that integrate the upflow anaerobic sludge blanket reactors and their replacement by a high rate settlers placed inside or outside the volume of biological reactor; ii) the recirculation of a fraction of the of the sludge retained in the settler, converting the process into a solution that resembles the activated sludge system, however, preserving the sludge blanket (Activated Anaerobic Sludge Blanket System), and thus ensuring better control of the cell retention time; and iii) the simplification (lower inlet points) of the influent distribution system placed over the bottom of the reaction zone, upon the implementation of two alternatives: mechanical mixing or hydraulic agitation with jet discharges, intermittent, in both cases. The proposals, as presented, are a summary of researches based on bench scale tests succeeded by the operation and tests in two parallel pilot units (total volume: 20.8 m3, including reaction zone and settler). It was found that it is possible to remove suspended solids from the effluent of the reaction zone without the need for a three-phase separator, and also, that it is possible to maintain the sludge blanket even with mixing in the reaction zone. Good results regarding total suspended solids, biochemical oxygen demand and chemical oxygen demand removal in the settlers were obtained, with applied hydraulic loading rate from 34.0 to 81.6 m3m-2 day. It was also found that very low velocity gradient values (G £ 20 s-1) are required to promote the maintenance of the sludge blanket, and the intermittency in the agitation is favorable to the biological process. The results concerning, , and TSS removal were compared with those of other studies on conventional upflow anaerobic sludge blanket reactors. However, those related to sludge age were the most significant to the conclusions of this research. When the reactor was operated with a hydraulic retention time of 8.2 h and a upflow velocity upflow velocity of 0.69 mh-1 in the biological reactor, the average sludge age reached 175 days. When applying smaller values of upflow velocity, the sludge age values reached greater values (Example: upflow velocity = 0.39 mh-1; sludge age = 363 days). The results and conclusions of this research open new perspectives for future research and new horizons for designing systems consisting of anaerobic sludge blanket and high-rate settlers.
RESUMEN
Resumen La separación física de líquidos y gases es una de las operaciones de producción, procesamiento y tratamiento en la industria petrolera, necesaria para prevenir daños en equipos rotativos, evitar corrosión en tuberías y cumplir con las especificaciones de calidad del gas natural para uso doméstico. Cuando la presión de operación aumenta, la diferencia de densidades entre las fases disminuye, lo cual dificulta el proceso de separación. Se realiza la revisión del estado del arte, desde los años 90 hasta el presente, de las diferentes metodologías para separar las fases líquida y gaseosa del gas natural, así como las variables de diseño con aplicación a sistemas que operan a alta presión; prestando especial énfasis en los avances encontrados utilizando Dinámica de Fluidos Computacional. Los resultados muestran que, aunque los separadores centrífugos y los separadores supersónicos son más compactos y de fácil mantenimiento comparados con los separadores gravitacionales, éstos últimos continúan siendo la estrategia más favorable cuando se combinan alta presión y baja cantidad de líquido (menos del 4% vol), como es el caso del gas natural. Conclusión adjudicada, en parte, a la falta de estudios experimentales/numéricos que involucren al gas natural en equipos alternativos al separador gravitacional
Abstract The Physical separation of liquids and gases is one of the main operations of production, processing and treatment in the oil industry; it is necessary to prevent damage to rotating equipment, to avoid corrosion in pipes and to achieve with the natural gas quality specifications for domestic use. When the operating pressure increases, the density difference between the phases decreases, which makes the separation process difficult or in some cases impossible. In this work, the state of the art of the different methodologies to separate the liquid and gaseous phases of natural gas is reviewed , as well as the design variables applied to systems that operate at high pressure from the 90's to the present; with special emphasis on the advances found using Computational Fluid Dynamics. The results show that, although both centrifugal and supersonic separators are more compact and easy to maintain compared to gravitational separators, gravitational separators remain the most favorable strategy when combining high pressure and low liquid load (less than 4%vol), as is the case of natural gas. Conclusion awarded, in part, to the lack of experimental/numerical studies involving natural gas in alternative equipment to the gravitational separator
Resumo A separação física de líquidos e gases é uma das principais operações de produção, processamento e tratamento na indústria do petróleo, necessária para evitar danos ao equipamento rotativo, para evitar a corrosão nos tubos e para cumprir as especificações de qualidade do gás natural para uso doméstico. Quando a pressão de operação aumenta, a diferença de densidade entre as fases diminui, o que torna o processo de separação difícil ou, em alguns casos, impossível. Neste trabalho, é realizada a avaliação do estado da arte de diferentes metodologias para separar as fases líquida e gasosa do gás natural e as variáveis de design com aplicação para sistemas que operam a alta pressão a partir dos anos 90 até a data atual; com ênfase especial nos avanços encontrados usando a Dinâmica dos Fluidos Computacional. Os resultados mostram que, embora ambos os separadores centrífugos e supersónicos são mais compactos e de fácil manutenção comparado com separadores gravitacionais, o último continua a ser a estratégia favorecida quando a alta pressão e de baixa quantidade de líquido são combinados (menos de 4% vol), como é o caso do gás natural; Conclusão concedida, em parte, à falta de estudos experimentais/numéricos envolvendo gás natural em equipamentos alternativos ao separador gravitacional