DISEÑO DE SEDIMENTADORES DE PLACAS PARALELAS Grau José, Andarcia Díaz Emyra UNIVERSIDAD DE CARABOBO - TORO Y ASOCIADOS CONSULTORES, C.A. RECTORADO. AV. BOLIVAR VALENCIA 2002 - VENEZUELA RESUMEN
La importancia de este proyecto es que permite resolver situaciones de diseño frecuentes en el campo de la ingeniería ambiental sustentado en un modelo matemático factible, basado en la realización previa de pruebas y ensayos experimentales de efluentes industriales con el objetivo de desarrollar un software para el diseño de sedimentadores de placas paralelas, mediante el uso de microcomputadores. Los resultados más importantes que proporciona el programa son: longitud de las placas, área total de sedimentación, altura del colector de lodos, tiempo de apertura de las válvulas de drenaje de lodos y dimensiones generales del sedimentador. Los diseños realizados por el programa, al igual que el procedimiento experimental seguido y el modelo matemático utilizado, para el caso de lodos pesados son confiables, no así para lodos livianos. Palabras claves:
efluente, lodo liviano, lodo pesado, modelo, prototipo INTRODUCCION
El constante crecimiento de actividades industriales en cualquier parte del mundo ocasiona problemas de contaminación del medio ambiente, por lo que se torna urgente que las empresas involucradas en este tipo de casos se adapten a las normas de preservación del ambiente, entre las cuales está, en algunos casos, la instalación de una planta de tratamiento de efluentes industriales, dentro de las cuales suelen utilizarse sedimentadores de placas paralelas. MODELACION DE SEDIMENTADORES DE PLACAS PARALELAS
Existen algunos parámetros de diseño que son conocidos debido a que su valor es el mismo en cualquier tipo de aplicación (lodo pesado ó lodo liviano), por lo que se encuentran formando parte del programa. Estos parámetros son: el ángulo de inclinación de las placas ( O ), que debe tener un valor de 45° en el caso de lodos pesados, y de 55° para los lodos livianos. La separación óptima que debe existir entre las placas (Cp) es de 5 cm., ya que esto garantiza el desplazamiento normal del fluido entre las placas, evitando perturbaciones en el proceso de sedimentación. El ancho adecuado de las placas (dp) es de 90 cm., por razones de recorrido interno del fluido y del diseño y construcción de las mismas, de manera que no flecten. El caudal de operación ó de diseño (Q), es también un parámetro de diseño conocido, pero varía con cada caso, ya que su valor depende de la cantidad de efluentes que arrojen las empresas. Su valor se mide directamente y es fundamental para el diseño, ya que de él depende el área de sedimentación y espesamiento. Algunos parámetros de diseño son propios de cada tipo de efluentes, por lo que deben determinarse por medio de pruebas de laboratorio y de ensayos a escala del mismo. Estos parámetros son Concentración de Sólidos Totales Suspendidos (Co); Densidad del Lodo Sedimentado (dl ); Volumen de Lodo Sedimentable (VLS); Caudal Máximo de Fluido utilizado en el modelo (Qm); Nivel Superior e Inferior de Lodo en el modelo (hsm; him). Los primeros tres parámetros mencionados se obtienen de un ensayo simple de sedimentación con columna, y los dos últimos se obtienen de ensayos en el modelo a escala.
Ensayo Simple de Sedimentación con Columna. Este ensayo consiste en agitar la muestra de efluente hasta lograr una concentración uniforme de la misma, determinar su concentración de sólidos totales suspendidos y llenar un cilindro graduado de 1000 ml con la muestra agitada. De esta manera se puede determinar el tiempo de descenso de la fase intermedia líquido-
sólido, con respecto a varias alturas en el cilindro. Transcurridos 30 minutos, medir el volumen de lodos sedimentados en el fondo del cilindro, abrir la válvula del fondo de mismo y tomar la muestra de lodo, para determinar así su densidad y concentración. Construir tablas de valores obtenidos y curvas correspondientes. Ensayos en el Modelo a Escala. Estos ensayos consisten en simular el proceso hidráulico que se producen en un sedimentador real, por medio de un modelo a escala y así determinar el caudal máximo de efluente en el modelo, para el cual se obtiene la Concentración de Sólidos Suspendidos Final adecuada para una salida a redes cloacales, etc. En estas pruebas se utiliza una bomba de diafragma que pasa el efluente prueba, de su recipiente de almacenaje a un recipiente de floculación, hasta una altura determinada. Luego se enciende un equipo de aire comprimido y una bomba dosificadora de polímero, los cuales actúan en el recipiente de floculación y así formar los flóculos. Se debe regular el caudal que transmite la bomba de diafragma por medio de una válvula reguladora. Medir el caudal que sale del recipiente de floculación, ya que el mismo es el que entra al modelo. La prueba se inicia para un caudal determinado y deben drenarse gradualmente los lodos cuando alcancen su nivel adecuado en el modelo. Tomar nota de este nivel. Tomar la muestra de líquido clarificado para cada caudal y determinar su concentración de sólidos suspendidos. Agrupar los resultados en tablas y construir las curvas correspondientes. Longitud de las Placas (Torres, 1976) 1.34 x vp x dp 0.058 x vp x ep 2 lp = − dp x tg O + cosO x vs 2
(ec. 1)
Velocidad del Fluido en el Modelo.
vm =
Qm nm x em x dm
(ec. 2)
Velocidad del Fluido en el Prototipo (Kawamura, 1981) vp = (Frm x lp x g) 1/2
(ec. 3)
Frm = número de Froude. Para el cálculo de longitud de placas, se supone un valor de éstas, se introduce en la ecuación (ec. 3) para obtener vp, y éste se introduce en la ecuación (ec. 1). Este procedimiento se realizará hasta que la longitud supuesta de las placas se asemeje a la calculada en la ecuación (ec. 1). Constantes Empíricas (Wahlberg, 1988) Vo = 367.2 - 1476 x (IVL) K = 0.426 - 0.00384 x (IVL) + 0.0000543 x (IVL) Indice de Volumen de Lodos (Greenberg et. al 1992)
(ec. 4) (ec . 5)
IVL =
VLS Co
(ec. 6)
Flujo de Sólidos Máximo (Miller, 1993)
FSMAX = 0.54 x
Vo K
(ec. 7)
Velocidad de Sedimentación (Miller, 1993)
Vs =
FSMAX Co
(ec. 8)
Número de Placas (Shimokubo)
np =
Ats dp x lp x cos O
(ec. 9)
Flujo de Sólidos de Diseño (Miller, 1993) FSDIS = 0.45 x FSMAX
(ec. 10)
Area Requerida para el Espesamiento (Miller, 1993)
Ae =
Q x Co FSDIS
(ec. 11)
Area Requerida para la Clarificación
Ac = Ae x
0.8 0.2
(ec.12)
El área requerida para la clarificación representa el 80% del área total de sedimentación. Area Total de Sedimentación. Ats = 1.4 (Ae + Ac)
(ec. 13)
Los cálculos restantes, tales como; número y distribución de los reforzamientos, boquillas del equipo, diseño de la cámara que contiene las placas, diseño del colector de lodos, selección de pernos de sujeción y los intervalos de apertura de la válvula de drenaje de lodos, no se reflejarán, ya que los mismos corresponden a la aplicación de criterios de resistencia de materiales y leyes termodinámicas ampliamente conocidas.
PRESENTACION Y DISCUSION DE RESULTADOS Los resultados obtenidos del ensayo simple de sedimentación con columna y con el modelo que se hicieron para un total de ocho muestras, permiten establecer los intervalos entre los cuales se encuentran los valores de los datos de entrada al programa para lodos pesados y livianos. en el caso de lodos pesados la concentración de sólidos totales suspendidos está entre 2.0 y 6.0 Kg/m 3; el volumen de lodo sedimentable entre 105 y 412 ml/l; densidad del lodo entre 890 y 2430 Kg/m 3 , caudal en el modelo entre 0.05 y 0.07 m 3 /h; nivel superior de lodos en el modelo entre 0.15 y 0.19 m y el nivel inferior entre 0.09 y o.15 m. Los resultados que proporciona el programa son la longitud y número de placas; área total de sedimentación; número y distribución de los reforzamientos; especificaciones del material de construcción del equipo; altura del colector de lodos; diámetro, número y separación adecuada de los pernos; tiempo que debe permanecer la válvula de drenaje de lodos abierta o cerrada; área ocupada por el equipo; ancho, longitud y altura del equipo; niveles superior e inferior de lodos en el colector. Análisis de Resultados Experimentales. Los lodos pesados sedimentan en 20 min., mientras que los livianos en 40 min. o más. Esto se debe a las características inherentes a cada tipo de lodo, como la concentración de sólidos suspendidos, volumen de lodo sedimentable y densidad del lodo. Los lodos livianos poseen un flujo de sólidos mucho menor que el de los lodos pesados (menor a 25 E-05 Kg/m 2 x s), debido a que el volumen de lodos sedimentables y la concentración de sólidos suspendidos de los lodos livianos son mayores a los de los lodos pesados. Por lo expuesto anteriormente, los lodos pesados tienen un tratamiento más eficiente que los lodos livianos en un sedimentador, ya que se pueden emplear mayores caudales de entrada al equipo sin causar turbulencia de los lodos acumulados en el colector (caudales superioes a 40 m 3 /h). Análisis de los Resultados del Programa. En la verificación de los resultados proporcionados por el programa, se consideran los valores de longitud (c), altura A) y caudal (Q), con que opera el equipo (figura 1), para su comparación con los que corresponden a los modelos de sedimentadores que aparecen en los catálogos de “ Lamella Gravity Settler/Thickener” . Esta comparación puede verse en la Tabla 1.
C Q A
Fig. 1. Dimensiones de Comparación. Parámetro
Lodo 1
240/45
(pesado) 3
Q(m /h) A(M) C(M) Parámetro
15 3.75 3.11 Lodo 5
Q(m /h) A(M) C(M)
80 5.17 7.05
480/45
(pesado)
15 4.00 3.35 1150/45
(intermedio) 3
Lodo 2 30 4.03 4.77 Lodo 6 14 7.04 7.41
3900/45
(pesado)
30 4.00 4.26 125/55
(liviano)
80 5.10 5.10
Lodo 3 100 6.40 9.49 Lodo 7
100 7.62 8.23 300/55
(liviano)
14 4.00 3.00
33 10.05 11.63
Lodo 4
740/45
(intermedio)
70 4.58 5.66 Lodo 8
70 4.87 5.10 570/55
(liviano)
33 4.26 3.35
61 35.06 46.59
61 4.26 4.26
Tabla 1. Comparación de los Resultados del Programa con los del Modelo.
Densidad (kg/M3)
Lodo 1 1292.5
Lodo 2 1128.0
Lodo 3 1014.7
Lodo 4 951.3
Lodo 5 998.6
Lodo 6 941.8
Lodo 7 966.7
Lodo 8 920.0
Tabla 2. Densidad de Los Lodos.
De los modelos 240/45, 480/45, 125/55 y 300/55, sólo se conoce su longitud y altura en base al caudal de operación, tipo de lodo y ángulo de inclinación de las placas. No se tiene ninguna información de las caracteristicas del efluente que pasa por dichos modelos. Así, el punto referencial de comparación es el caudal de operación, tipo de lodo y ángulo de inclinación, para los cuales se debe obtener una altura y longitud del equipo semejante al modelo. Los valores de altura (A) y longitud ( C ) dados por el programa para el lodo 1, están un 6.25% y 7.16% por debajo de los del modelo 240/45. Estos mismos valores para el lodo 2, están un 0.75% y 11.97% por encima del modelo 480/45. De esta manera, se comprueba que los resultados que proporciona el programa cuando se trabaja con lodos pesados son confiables. Los valores de altura y longitud dados por el programa para el lodo 6, están un 76% y 147% por encima del modelo 125/55 y para el lodo 7
están un 135.9% y 247.1% por encima del modelo 300/55. Esto indica que el modelo matemático de diseño no se ajusta a las características de los lodos livianos. El problema para el diseño con lodos livianos parte del uso de la ecuación para determinar la longitud de las placas y de la ecuación de área de sedimentación y flujo de sólidos que dependen de la concentración de sólidos totales suspendidos y volumen de lodos sedimentables. Estos parámetros rigen el diseño y diferencian los lodos pesados de los livianos. CONCLUSIONES
Los diseños realizados por el programa cuando trabaja con lodos pesados, son confiables y garantizan el buen funcionamiento de estos equipos en una planta de tratamiento. Esto es para lodos con densidades entre 1000 y 2430 Kg/m3, es decir lodos livianos. El procedimiento experimental seguido y el modelo matemático empleado es confiable para el diseño de sedimentadores que operen con lodos pesados. Las comparaciones de los diseños realizados por el programa para lodos pesados con los modelos, no son exactas debido a que estos modelos no trabajan con los mismos efluentes analizados en los ensayos para los cuales se realizó el diseño del sedimentador a través del programa.
REFERENCIAS
KAWAMURA S., (1981), Hidraulic Scale-Model Simulation of the Sedimentation Process . MILLER E., Adams C.E. Jr., (1.993), Development of Dising Equations and Operational Procedures for Clasifiers.
SHIMOKUBO R.M., O’Connor O.J., Clarification and Filtration of Metal Hidroxide Wastecuater Solids. WAHLBERG E.J., KEINATH T.M., (1.988), Development of Settling Flux Curves Using S.V.I. WEBER, (1.978), Physical-Chemical Processes for Water Quality Control.
