EPANET - Análisis de la calidad del agua - Reacciones sobre la calidad del agua

El módulo de calidad del agua de EPANET puede seguir el crecimiento o la descomposición de una sustancia por reacción a medida que se desplaza por un sistema de distribución. a medida que se desplaza por un sistema de distribución. Para ello, necesita conocer la velocidad a la que reacciona la sustancia y cómo esta velocidad puede depender de la concentración de la sustancia. reacciona y cómo esta velocidad puede depender de la concentración de la sustancia. Las reacciones pueden producirse tanto dentro del flujo másico o con el material a lo largo de la pared de la tubería. Las reacciones del fluido másico también pueden producirse en el interior de los depósitos. EPANET permite al modelizador utilizar diferentes velocidades de reacción para las dos zonas de reacción.

• Velocidades de reacción de flujo másico
  Las reacciones de flujo másico son reacciones que se producen en la corriente de flujo principal de una tubería o depósito de almacenamiento, no se ven afectadas por ningún proceso que pueda afectar a la pared de la tubería.
  EPANET modela estas reacciones utilizando cinética de enésimo orden, donde la velocidad de reacción instantánea (R ??en masa / volumen / tiempo) se considera dependiente de la concentración según
  R = Kb * C^n
  donde
  Kb = coeficiente de tasa de masa,
  C = concentración de reactivo (masa / volumen) y
  n = un orden de reacción. Kb tiene unidades de concentración elevadas a la potencia (1-n) dividida por el tiempo.
  Es positivo para las reacciones de crecimiento y negativo para las de deterioro.
  
  EPANET también puede considerar reacciones en las que existe una concentración límite en el crecimiento o en la pérdida final de la sustancia. En este caso, la expresión de la tasa para una reacción de crecimiento se convierte en:
  R = Kb * (CL -C)*C^(n-1)
  donde
  CL = la concentración límite. (Para las reacciones de desintegración (CL - C) se sustituye por (C - CL)).
  
  Por lo tanto, hay tres parámetros (Kb, CL y n) que se utilizan para caracterizar las velocidades de reacción en masa.
  Se pueden seleccionar valores generales para estos parámetros que conducen a varios modelos cinéticos bien conocidos. Estos incluyen:
  • Decaimiento simple de primer orden - (Kb < 0, CL = 0, n = 1)
    R = Kb * C
    La descomposición de muchas sustancias, como el cloro, puede modelarse adecuadamente como una simple reacción de primer orden.
    Kb depende en gran medida de la naturaleza del agua modelizada y puede variar de menos de -0,01/día a más de -1,0/día.
    Puede estimarse colocando una muestra de agua en una serie de botellas de vidrio que no reaccionen y analizando el contenido de cada botella en diferentes momentos.
    
    Si la reacción es de primer orden, al trazar el logaritmo natural (Ct / Co) frente al tiempo debería obtenerse una línea recta, donde Ct es la concentración en el tiempo t y Co es la concentración en el tiempo cero. Kb se estimaría entonces como la pendiente de esta línea.
  • Crecimiento de saturación de primer orden - (Kb> 0, CL> 0, n = 1)
    R = Kb * (Cl - C)
    Este modelo puede aplicarse al crecimiento de subproductos de la desinfección, como los trihalometanos, donde la formación final del subproducto (CL) está limitada por la cantidad de precursor reactivo presente. Los ensayos en botella pueden utilizarse para estimar Kb si el ensayo se lleva a cabo durante el tiempo suficiente para medir CL directamente. CL directamente. (Kb es la pendiente del gráfico de log [(CL - Ct) / Co] frente al tiempo, donde Ct es la concentración después del tiempo t y Co es la concentración en el tiempo 0).
  • Decaimiento de segundo orden de dos componentes - (Kb < 0, CL ? 0, n = 2)
    R = Kb * C * (C - CL)
    Este modelo supone que la sustancia A reacciona con la sustancia B en alguna proporción desconocida para producir un producto P. La velocidad de desaparición de A es proporcional al producto de A y B restante. CL puede ser positivo o negativo, dependiendo de si el componente A o B está en exceso, respectivamente. Este modelo muestra a veces mejores ajustes para los datos de desintegración del cloro que no se ajustan al modelo simple de desintegración de primer orden.
  • Cinética de Michaelis-Menton - (Kb ? 0, CL > 0, n < 0)
    R = Kb * C / (Cl-C)
    Como caso especial, cuando se especifica una reacción negativa de orden n, EPANET utilizará la ecuación de velocidad de Michaelis-Menton mostrada anteriormente para una reacción de desintegración. (Para reacciones de crecimiento, el denominador se convierte en CL + C.) Esta ecuación de velocidad se utiliza a menudo para describir reacciones catalizadas por enzimas y crecimiento microbiano. Produce un comportamiento de primer orden a bajas concentraciones y un comportamiento de orden cero a altas concentraciones. Obsérvese que para las reacciones de descomposición, CL debe fijarse por encima de la concentración inicial presente.
• Velocidades de reacción de la pared del tubo
  Además de las reacciones de flujo másico, EPANET puede modelizar las reacciones que se producen con el material en la pared de la tubería o cerca de ella. La velocidad de esta reacción puede considerarse dependiente de la concentración en el flujo másico utilizando una expresión de la forma:
  R = (A / V) * Kw * C ^ n
  donde:
  Kw = a coeficiente de velocidad de reacción de la pared y
  (A / V) = la superficie por unidad de volumen en el interior de un tubo (igual a 4 dividido por el diámetro). El último término convierte la masa que reacciona por unidad de superficie de la pared en volumen por unidad de base. EPANET limita el orden de reacción de la pared (n) a 0 ó 1, por lo que las unidades de Kw son masa / área / tiempo o longitud / tiempo, respectivamente.
  
  El parámetro Kw que aparece en la expresión de velocidad anterior debe ajustarse para tener en cuenta cualquier limitaciones en el movimiento de reactivos y productos entre el flujo másico y la pared. EPANET lo hace automáticamente, basando el ajuste en la difusividad molecular de la sustancia modelizada y el número de Reynolds del flujo. (Si se ajusta la difusividad molecular a cero, se ignorarán los efectos de la transferencia de masa).
  
  El coeficiente de velocidad de pared puede depender de la temperatura y también puede correlacionarse con la edad y el material de la tubería.
  
  Nota: EPANET requiere que haya flujo de agua en una tubería para que se produzca una reacción de pared. En las tuberías sin caudal no se calcula la reacción de la pared.
• Velocidades de reacción de la pared del tubo
  Es bien sabido que a medida que envejecen las tuberías metálicas, su rugosidad tiende a aumentar debido a la incrustación y a los productos de corrosión en las paredes de la tubería. Este aumento de la rugosidad produce un menor factor C de Hazen-Williams o un mayor coeficiente de rugosidad de Darcy-Weisbach, lo que se traduce en una mayor pérdida de presión por fricción en el flujo a través de la tubería.
  
  Existen indicios que sugieren que los mismos procesos que aumentan la rugosidad de una tubería con el paso del tiempo también tienden a aumentar la reactividad de su pared frente a determinadas especies químicas. aumentar la reactividad de su pared con algunas especies químicas, principalmente el cloro y otros desinfectantes. EPANET puede hacer que el coeficiente de reacción de la pared (Kw) de cada tubería sea función del coeficiente utilizado para describir su rugosidad. para describir su rugosidad. Se aplica una función diferente según la fórmula utilizada para calcular la pérdida de carga a través de la tubería:
  
  

  Fórmula de la pérdida de carga	Fórmula de reacción en la pared
  Hazen-Williams	Kw = F / C
  Darcy-Weisbach	Kw = -F / log (e / d)
  Chezy-Manning	Kw = F * n

  
  Dónde:
  C = factor C de Hazen-Williams
  e = rugosidad Darcy-Weisbach
  d = diámetro del tubo
  n = coeficiente de rugosidad Crew
  F = reacción de la pared - coeficiente de rugosidad de la tubería
  
  El coeficiente F debe desarrollarse a partir de mediciones de campo específicas del emplazamiento y tendrá un significado diferente dependiendo de la ecuación de caída de presión que se utilice. La ventaja de utilizar este enfoque es que sólo requiere un único parámetro, F, para permitir que los coeficientes de reacción de la pared varíen a lo largo de la red de una manera físicamente significativa.