INSTITUTO TECNOLOGICO DE VERACRUZ
COAGULACIÓN Y FLOCULACIÓN DEL AG A GUA POTABL E M.I.A MANUEL ALBERTO SUSNAGA MIRANDA ANTONIO DE JESUS PURIEL HERNANDEZ HERNANDEZ CARLOS MIGUEL PAZ CANDELARIO JESUS ALBERTO SANDOVAL ISLAS JAVIER ALONSO ZALDIVAR BOLAÑOS KATYA GUADALUPE ORTIZ PEREZ 20 de marzo de 2014
NOMBRE DE EMPRESA
INDICE INTRODUCCIÓN MECANISMOS DE COAGULACIÓN
3 4
CINÉTICA O ETAPAS DE LA COAGULACIÓN MECANISMOS DE COAGULACIÓN PREDOMINANTES
MEZCLA RAPIDA
5
PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO UNIDADES HIDRÁULICAS CRITERIOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO EL DIMENSIONAMIENTO CANALETA DE PARSHALL INYECTORES
FLOCULADORES
16
CRITERIOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO EL DIMENSIONAMIENTO UNIDADES DE PANTALLAS UNIDADES DE FLUJO HORIZONTAL
BIBLIOGRAFIA
21
Página 2
INSTITUTO TECNOLOGICO DE VERACRUZ
INTRODUCCIÓN El agua puede contener una variedad de impurezas, solubles e insolubles; entre estas últimas destacan las partículas coloidales, las sustancias húmicas y los microorganismos en general. Tales impurezas coloidales presentan una carga superficial negativa, que impide que las partículas se aproximen unas a otras y que las lleva a permanecer en un medio que favorece su estabilidad. Para que estas impurezas puedan ser removidas, es preciso alterar algunas características del agua, a través de los procesos de coagulación, floculación, sedimentación (o flotación) y filtración. La coagulación se lleva a cabo generalmente con la adición de sales de aluminio y hierro. Este proceso es resultado de dos fenómenos: El primero, esencialmente químico, consiste en las reacciones del coagulante con el agua y la formación de especies hidrolizadas con carga positiva. Este proceso depende de la concentración del coagulante y el pH final de la mezcla. • El segundo, fundamentalmente físico, consiste en el transporte de especies hidrolizadas para que hagan contacto con las impurezas del agua. •
Este proceso es muy rápido, toma desde décimas de segundo hasta cerca de 100 segundos, de acuerdo con las demás características del agua: pH, temperatura, cantidad de partículas, etcétera. Se lleva a cabo en una unidad de tratamiento denominada mezcla rápida. De allí en adelante, se necesitará una agitación relativamente lenta, la cual se realiza dentro del floculador. En esta unidad las partículas chocarán entre sí, se aglomerarán y formarán otras mayores denominadas flóculos; estas pueden ser removidas con mayor eficiencia por los procesos de sedimentación, flotación o filtración rápida.
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MECANISMOS DE COAGULACIÓN Como se ha visto anteriormente, las partículas coloidales, las sustancias húmicas y algunos microorganismos presentan una carga negativa en el agua, lo cual impide la aproximación de las mismas. En el tratamiento del agua será necesario alterar esta fuerza iónica mediante la adición de sales de aluminio o de hierro o de polímeros sintéticos que provoquen el fenómeno de la coagulación. Actualmente se considera la coagulación como el resultado de la acción de cuatro mecanismos: 1. 2. 3. 4.
Compresión de capa difusa; adsorción y neutralización; barrido; adsorción y formación del puente.
CINÉTICA O ETAPAS DE LA COAGULACIÓN
Considerando la discusión teórica que antecede, Stumm y O’Melia identificaron varias etapas en el proceso de coagulación. . 1) Hidrólisis de los iones metálicos multivalentes y su consecuente polimerización hasta llegar a especies hidrolíticas multinucleadas. . 2) Adsorción de las especies hidrolíticas en la interfaz de la solución sólida para lograr la desestabilización del coloide. . 3) Aglomeración de las partículas desestabilizadas mediante un puente entre las partículas que involucra el transporte de estas y las interacciones químicas. . 4) Aglomeración de las partículas desestabilizadas mediante el transporte de las mismas y las fuerzas de Van der Waals. . 5) Formación de los flóculos. . 6) Precipitación del hidróxido metálico.
Algunas de estas etapas ocurren secuencialmente. Otras coinciden parcialmente y otras incluso pueden ocurrir simultáneamente. Se puede suponer que las diferentes etapas de la reacción pueden resultar controlables en un cierto porcentaje, bajo diversas condiciones químicas
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Coagulante Hidrólisis 1. a fase
3. a fase
2. a fase
pH pH
pH pH
pH
pH pH
pH
Partícula negativa Polímero añadido o formado por el coagulante
n ó i c a t n e m i d e S
n ó i c a t n e m i d e S
pH = Productos de hidrólisis positivamente cargados
pH
pH pH
pH pH
e s a f a . 4
pH
pH pH
e s a f a . 5
figura 1 Mecanismos de coagulación
MECANISMOS DE COAGULACIÓN PREDOMINANTES
La coagulación mediante sales inorgánicas se produce predominantemente por medio de dos mecanismos: 1) Adsorción de las especies hidrolíticas por el coloide, lo que provoca la neutralización de la carga, y 2) coagulación de barrido, en la que se producen las interacciones entre el coloide y el hidróxido precipitado.
MEZCLA RÁPIDA Se denomina mezcla rápida a las condiciones de intensidad de agitación y tiempo de retención que debe reunir la masa de agua en el momento en que se dosifica el coagulante, con la finalidad de que las reacciones de coagulación se den en las condiciones óptimas correspondientes al mecanismo de coagulación predominante. La dosificación se realiza en la unidad de mezcla rápida; por lo tanto, estas condiciones son las que idealmente debe reunir esta unidad para optimizar el proceso. En la coagulación por adsorción, las reacciones con aluminio que preceden a la neutralización de la carga son extremadamente rápidas y ocurren en milésimas de segundos cuando no hay formación de polímeros hidrolíticos de Al(III), y en un segundo cuando estos se forman. En cambio, la
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formación del precipitado de hidróxido de aluminio antes de la coagulación de barrido es lenta y se produce en un rango de 1 a 7 segundos. Los mezcladores tienen como objetivo la dispersión instantánea del coagulante en toda la masa de agua que se va a tratar. Esta dispersión debe ser lo más homogénea posible, con el objeto de desestabilizar todas las partículas presentes en el agua y optimizar el proceso de coagulación. La coagulación es el proceso más importante en una planta de filtración rápida; de ella depende la eficiencia de todo el sistema. No importa que los demás procesos siguientes sean muy eficientes; si la coagulación es defectuosa, la eficiencia final del sistema es baja. La eficiencia de la coagulación depende de la dosificación y de la mezcla rápida. En la unidad de mezcla la aplicación del coagulante debe ser constante y distribuirse de manera uniforme en toda la sección. Debe existir una fuerte turbulencia para que la mezcla del coagulante y la masa de agua se dé en forma instantánea. PARÁMETROS GENERALES DE DISEÑO
• La intensidad de agitación, medida a través del gradiente de velocidad, puede variar de 700 a 1.300 s-1 o de 3.000 a 5.000 según el tipo de unidad seleccionada. • El tiempo de retención puede variar de décimas de segundos a siete segundos, dependiendo de la concentración de coloides en el agua por tratar y del tipo de unidad seleccionada. De la concentración de coloides presente en el agua dependerá el tipo de mecanismo de coagulación resultante; esto es: A. alta concentración de coloides mecanismo de absorción o de neutralización de cargas B. baja concentración de coloides mecanismo de barrido Unidades hidráulicas
Entre los mezcladores de este tipo se pueden citar, entre los más utilizados por su simplicidad y eficiencia, los siguientes: •
canales con cambio de pendiente o rampas;
•
canaletas Parshall;
•
vertederos rectangulares y triangulares;
•
difusores;
•
inyectores.
La canaleta Parshall es adecuada exclusivamente para plantas de medianas a grandes (Q 500 L/s). El canal con cambio de pendiente se adecúa a cualquier rango de caudal, y los vertederos
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rectangular y triangular solo a caudales pequeños; el último, preferiblemente a caudales menores de 30 L/s. Estas unidades son especialmente adecuadas para aguas que la mayor parte del tiempo están coagulando mediante el mecanismo de adsorción; es decir, aguas que presentan alta concentración de coloides. Los tipos más frecuentes tienen la ventaja de servir de unidades de medición de caudal y deunidades de mezcla rápida, por lo cual son muy populares figura2
CRITERIOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO
1
• Se supone que h1 es igual a d 1 • Las alturas de agua antes
(h ) 1
P2
y después
del resalto (h2) deben satisfacer la siguiente ecuación: Donde:
2
E
P2
h2
E1 P1
C
0
E2
h1 0
E2
EE 1
E
h2 / h1 = ! [ 1 + 8 F 2 - 1]
y V 1 es la velocidad en la sección 1
F = V 1 / g h1
• Los tipos más frecuentes tienen la ventaja de servir como unidades de medición de caudal y como unidades de mezcla rápida. • La energía hidráulica disipada o pérdida de carga se puede calcular en la longitud (L) del resalto, mediante la fórmula de Belanger: hp = (h2 - h1 )3 / 4 h1 h2
• La longitud de resalto mediante la fórmula de Smetana:
L = 6 (h2 - h1 )
• Gradiente de velocidad (G) producido:
0,5 G = [ Q hp / ] 0,5 ó [ / ] . [ hp/ T] 0,5
• Tiempo de mezcla (T) T = 2 L / (V 1 + V 2 )
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Q hp V 1
V 2
peso específico del agua (kg/m3) coeficiente de viscosidad absoluta caudal (m3/s) pérdida de carga (m)
= = = = = = =
volumen comprendido entre las secciones (1) y (2) velocidad del agua en la sección (1) velocidad del agua en la sección (2)
Temperatura ( C)
0 4 10 15 20 25
2.336,94 2.501,56 2.736,53 2.920,01 3.114,64 3.266,96
Cuadro (1) Valores a diferentes temperaturas Modelos de comprobación
Canal rectangular con cambio de pendiente o rampa. Un cambio de pendiente en un canal es uno de los medios más simples de producir un salto hidráulico con fines de mezcla. Para comprobar si se están produciendo los valores recomendados de gradiente de velocidad y tiempo de retención una vez asumida la geometría del canal, es necesario calcular las alturas y velocidades conjugadas en las secciones (1) y (2) 1 V
2 hp
d1
1
Eo
P1 W Wd 1 co s X
d2 = h2
V2 P2
Wd2 L
figura (3) superior figura (4) inferior derecha
Página 8
Ecuación de momentos
Qw/g ( B2 V 2 - B1 V 1 cos ) = P 1 cos P 1 =
1/2 w d 12 cos
P 2 =
w d 2 2 / 2
Q = V 1 d 1 = V 2 d 2
-
P 2 - F F
V 2 = V 1 d 1 / d 2
;
Si B1 = B2 1 ; F F = o ; F 1 = V 1 /
gd 1
d 2 / d 1 = a
Sustituyendo
V 12 ( d 1w /g) (V 1 d 1 / d 2 –V 1cos ) = (w d 12 cos2 – w d 2 2 )/2 2 (V 12 / d 1 g) (d 1 / d 2 – cos ) = cos2 – ( d 2 / d 1 ) 2 2 ( F 12 /a) – 2 F 12 cos
= cos2 – a 2
(a2 / 2 F 1 ) + F 1 / a = K K = cos ( F 1 + (cos /2 F 1 ))
Canaleta Parshall
Se usa la canaleta Parshall normalmente con la doble finalidad de medir el caudal afluente y realizar la mezcla rápida. Generalmente, trabaja con descarga libre. La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a una subcrítica, lo que origina el resalto. 2/3 A
D
C
W
Planta
A
B
Corte
E
F
h2
H N
G
h1
Pérdida de H3 carga
K
Figura (5)
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W
A
Pulgadas (cm)
1" 3" 6" 9" 1' 1 1/2' 2' 3' 4' 5' 6' 7' 8' 10'
2,5 7,6 15,2 22,9 30,5 45,7 61,0 91,5 122,0 152,5 183,0 213,5 244,0 305,0
B
C
D
E
F
G
K
N
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
(cm)
36,3 46,6 61,0 88,0 137,2 144,9 152,5 167,7 183,0 198,3 213,5 228,8 244,0 274,5
35,6 45,7 61,0 86,4 134,4 142,0 149,6 164,5 179,5 194,1 209,0 224,0 239,2 427,0
9,3 17,8 39,4 38,0 61,0 76,2 91,5 122,0 152,5 183,0 213,5 244,0 274,5 366,0
16,8 25,9 40,3 57,5 84,5 102,6 120,7 157,2 193,8 230,3 266,7 303,0 340,0 475,9
22,9 45,7 61,0 76,3 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 122,0
7,6 15,2 30,5 30,5 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 61,0 91,5
20,3 30,5 61,0 45,7 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 91,5 183,0
1,9 2,5 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 7,6 15,3
2,9 5,7 11,4 11,4 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 22,9 34,3
Dimensiones estandarizadas de medidores de Parshall. Cuadro 2
E 0 = V 0 2 / 2g + H o + N
La altura de agua en la sección de medición puede ser calculada por la siguiente ecuación:
H 0 = K Qm Los valores de K y m se pueden obtener del siguiente cuadro Ancho de la garganta del Parshall (w) pulgadas metros
3" 6" 9" 1' 1 1/2' 2' 3' 4' 5' 6' 8'
0,075 0,150 0,229 0,305 0,460 0,610 0,915 1,220 1,525 1,830 2,440
K
m
3,704 1,842 1,486 1,276 0,966 0,795 0,608 0,505 0,436 0,389 0,324
0,646 0,636 0,633 0,657 0,650 0,645 0,639 0,634 0,630 0,627 0,623
Cuadro 3
Página 10
La velocidad en la sección de medición se calcula mediante la siguiente relación: V 0 = Q / H 0 D’
por relaciones geométricas: Secciones 0
D’ = 2 / 3 (D - W) + W
Donde D, N y W son las dimensiones de la canaleta dadas en el cuadro 1 Se puede considerar que toda la energía disipada en la canaleta Parshall se da entre la salida de la garganta (sección 2) y la sección de salida de la canaleta (sección 3) y que en este volumen la mezcla es prácticamente completa.
1
2
hf
Ho
W
4
3
h3
N
K X
h2
h1
G
D
l
D
C
W
W
2/3 B
Bajo condiciones de flujo con descarga libre, la pérdida de carga puede calcularse mediante la siguiente ecuación: hf = Ho + K – h 3
B
F
G
El cuadro 4 presenta un ejemplo de aplicación de los criterios expuestos.
Página 11
Paso
1
Datos
Caudal Q = 0,760 Tamaño de la canaleta W = 3' = 0,915 Consta nt es K = 0,608 m = 0,639
2
m
3
/s
Cr it e r io s
C ál c u lo s
Ho = KQ m
Ho = 0,6 08 (0,7 6) 0,639
m
Re s ult ados
Unidad
Altura de agua en la sección de medición
m
Ho = 0,51
unidad
D’= 2/3(D- W) + W
D’ = 2/3 (1,5 72 -0,9 15) + 0,91 5 D’ = 1,35
Ancho de la sección de medición
m
3
Vo = Q/D’Ho
Vo = 0,760 / (1,35 x 0,51) Vo = 1,10
Velocidad en la sección de medición
m/s
4
q = Q/W
q = 0,760 / 0,915 q = 0,83
Ca uda l espec ífi co en la garganta de la canaleta
Eo = (Vo2 / 2g) + H o + N
Eo = ((1,1 0) 2 /(2 x 9,8)) + 0,51 + 0,23 Eo = 0,8 0
Carga hidráulica disponible
5
Dimensión de la canaleta D = 1,572
U ni dad
Dimensión de la canaleta N = 0,23
m
m
cos = – qg/ (2/3gEo) 1,5
6
cos = – (9,8 x 0,83)/(2/3 9,8 x 0,8) 1,5
x
m3/s/m m
cos = – 0,68 132 54'
=
7
V 1 = 2(2gEo/3) 0,5 cos /3
V 1 = 2 ((2 x 9,8 x 0,8)/3) 0,5 cos (44°18') V 1 = 3,29
Velocidad antes del resalto
8
h 1 = q / V 1
h1 = 0,83/3,29 h1 = 0,25
Altura del agua antes del resalto
F 1 = 3,29/ F 1 = 2,10
Númer o de Frou de
unida d
h2 = 0,25/2 [ (1+8(2,1) 2 )0,5 - 1]
Altura del resalto h2 = 0,63
m
Velocidad en el resalto V 2 = 1,32
m/s
9
F 1 = V 1 /
g h1 0,5
9,8 x 0,25
10
h2 = h1 /2 [ (1+8F 12 )
11
V 2 = Q / Wh2
V 2 = 0,760 / 0,915
- 1 ]
0,63
x
m/s
m
12
Dimensión K 1 = 0,08
m
h3 = h2 - (N-K 1 )
h3 = 0,63 - (0,23 – 0,08)
Altura en la sección de salida de la canaleta h3 = 0,48
m
13
Dimensión C = 1,22
m
V 3 = Q / Ch3
V 3 = 0,760 / 1,22 x 0,48 V 3 = 1,30
Velocidad en la sección de salida
m/ s
hp = Ho + K - h3
hp = 0,51 + 0,08 – 0,48 hp = 0,11
Pérdida de carga en el resalto
m
T = 2 G’/ (V 2 + V 3 )
T = 2
Tiempo de mezcla en el resalto T = 0,7
s
G=
G = 2.736
Gradiente de velocidad G = 1.084
s-1
14 15
Dimensión G’ = 0,915
16
= 2.736 T = 10 C
m
/
hp/T
0,915/ (1,32 + 1,30)
x
0,11/0,7
Página 12
INYECTORES En este tipo de unidades se consigue la homogeneización instantánea del coagulante con el flujo de agua, a partir de la regulación de la velocidad de los chorros y del número de chorros dentro de la sección de la masa de agua. a) Parámetros de diseño • La velocidad de los chorros (u) debe ser por lo menos cinco veces la velocidad del flujo del agua. • La eficiencia máxima se consigue cuando el área cubierta por los chorros es por lo menos 80% de la sección del tubo.
b) Criterios para el dimensionamiento de los inyectores Ecuación básica del perfil del chorro en flujo turbulento (figura 7) según Pratte y Baines (2):
Donde :
x z
R d C C S C c C i
= = = = = = = =
[x / d . R ] = C [ z / d R]
0,28
diámetro del chorro al final de la zona de máxima deflexión longitud de mezcla relación de velocidades del chorro (u) y del agua (V) diámetro de los orificios de inyección coeficientes de los perfiles del chorro (2) coeficiente del perfil superior = 2,63 coeficiente del perfil central = 2,05 coeficiente del perfil inferior = 1,35
• Al final de la zona de máxima deflexión, se supone lo siguiente:
z / d 1 R = 3
d 1 = diámetro de los orificios de la primera hilera. x = diámetro de los chorros
x = 1.741 . d . R , donde R = u/V
Página 13
Zona nucleada D
V
X
Zona de má x.
d ef l e xi ó n
Zona de vórtice
Z = 10 dR
d
figura (7) Parfil del chorro en flujo turbulento
Ecuaciones de los perfiles superior e inferior, a partir de las ecuaciones anteriores: x s / d 1 R = 2,63 (3)0,28 = 3,58 x i / d 1 R = 1,35 (3)0,28 = 1,84
• Diámetro de los orificios de la segunda hilera (d 2): d 2 = 0,5 d 1
• Caudal de la solución de coagulante (q):
q = u ( /4) [ N 1 d 12 + N 2 d 2 2 ] N 1 = Número de orificios de la primera hilera N 2 = Número de orificios de la segunda hilera
• Pérdida de carga en los chorros (h f ) hf = K u2 / 2g
• Gradiente de velocidad generado por los chorros: G =
q . h f /
= volumen de mezcla =
D2 /4 (Z 1 + Z 1 ) Página 14
Secuencia de cálculo de un inyector y su aplicación. Cuadro (4)
Símbolo
Uni dad
Caudal = 0,420
Q
m3/s
Diámetro de tubería = 0,60 Relación de velocidades = 3,5 Haciendo xs igual a D/2
D
m
Paso
1
2 3
Datos
R x s
m
Cr ite r io
Resul tado
Uni dad
V = Q/ A = 0,420/( (0,6)2 / 4) V = 1,5
Velocidad en la tubería
m/s
= R V ; = 3,5 (1,5) = 5,2
Velocidad de los chorros
m/s
x s / d 1 R = 3,58 d 1 = 0,60/[(2) (3,58) (3,5)]
Diámetro de los orificios de la primera hilera
m
Diámetro de chorros de la primera hilera Área cubierta por los chorros de la primera hilera Área del tubo
m
d 1 = 0,024
4
x 1 = 1,741 d 1 R x 1 = 1,741 (0,024) (3,5) = 0,15
5
Número de los orificios = 12
N 1
N.
A1 = N 1 x2 /4
= [(12) (0,15)2 ]/4
A1 = 0,21
6
A = D2 /4 = (0,6)2 /4 A = 0,28 3
7
% = 0,21 (100)/0,283 = 74
8
z 1 = 10 d 1 R
m2 m2
Por centaje del ár ea del tu bo cubierta por los chorros Longitud del chorro
%
Diámetro de los orificios de la segunda hilera
m
Diámetro de los chorros de la segunda hilera
m
m
z 1 = 10 (0,024) (3,5) ; z = 0,84
9
Di áme tr o del ár ea central del tubo no cubierta con chorros = 0,30
x s1
m
x s1 / d 2 R = 3,58 d 2 =0,30 /[(2) (3,58) (3,5)] d 2 = 0,012 (d 2 0,5 d 1 ) d 2 = 0,012
10
x 2 = 1,741 d 2 R x 2 = 1,741 (0,012) (3,5) x 2 = 0,073
11
Número de orificios = 12
N 2
N.
Área de los chorros de la segunda hilera Área total cubierta por los chorros
A2 = [N 2 ( x2 )2 ] /4 A2 =[12
(0,073)
2
]/4 = 0,050
12
AT = 0,21 + 0,050 = 0,26
13
% = [0,26 (100)]/ 0,28 = 92,8
14
q=[
(N d + 1
1
Por centa je del ár ea del tu bo cubierta por los chorros Caudal del coagulante
N 2 d 2 )]/4 2
m2 m2 % m 3/s
2
q = (5,2) /4[1 2 (0,02 4) + 12 (0,012) ] q = 0,035
15
Coeficiente de pérdida de carga = 1
16
K
constante h f = K 2 / 2g ; h f =(5,2)2 /19,6
Pérdida de carga
m
Longitud de chorros de la segunda hilera
m
Volumen de la zona de mezcla
m3
T = /(Q + q) = 0,27/(0,42 + 0,035) T = 0,59
Tiempo de mezcla
seg
G=
Gradiente de velocidad
s-1
h f = 1,38 d 2 =
z 2 = 3 d 2
R = 3 (0,012) x 3,5
z 2 = 0,126
17
= D 2 /4 (z 1 + z 2 ) = (0,6)
2
(0,126 + 0,84)/4
= 0,27
18 19
= 2.736 T = 10 C
/
G = 2.736
q .h f / 0,035
1,38/0,27
x
G = 1.157
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FLOCULADORES El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada una agitación lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimiento de los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salga de la unidad. La energía que produce la agitación del agua puede ser de origen hidráulico o mecánico. En este capítulo trataremos sobre el diseño de unidades de agitación hidráulica. Entre los floculadores más conocidos se pueden citar, en primer lugar, las unidades de pantallas de flujo horizontal y vertical, las de medios porosos, la de tipo Alabama y Cox, y los floculadores de mallas.
PARÁMETROS Y RECOMENDACIONES GENERALES DE DISEÑO Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían entre 70 y 20 s -1. En todo caso, en el primer tramo de la unidad el gradiente no debe ser mayor que el que se está produciendo en la interconexión entre el mezclador y el floculador (1). • El gradiente de velocidad debe variar en forma uniformemente decreciente, desde que la masa de agua ingresa a la unidad hasta que sale (2). • El tiempo de retención puede variar de 10 a 30 minutos, dependiendo del tipo de unidad y de la temperatura del agua. En las zonas tropicales, donde las aguas presentan temperaturas por encima de los 20 °C, el tiempo de floculación necesario suele ser más breve, alrededor de 15 minutos. En cambio, en los lugares fríos, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15 °C, generalmente el proceso se optimiza con tiempos de retención iguales o superiores a 20 minutos (3).
• Para que el periodo de retención real de la unidad coincida con el de diseño, ella debe tener el mayor número posible de compartimientos o divisiones (4). • El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo y deben evitarse los canales y las interconexiones largas. • El tiempo de retención y el gradiente de velocidad varían con la calidad del agua (1,4). Por lo tanto, estos parámetros deben seleccionarse simulando el proceso en el laboratorio con una muestra del agua que se va a tratar. • Pueden operar indefinidamente sin riesgos de interrupción, debido a que solo dependen de la energía hidráulica. Por esta razón, son muy confiables en su operación. • Por su bajo costo de construcción, operación y mantenimiento, se considera a los floculadores como una tecnología apropiada para países en desarrollo.
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UNIDADES DE PANTALLAS Las unidades de pantallas son las más eficientes y económicas de todos los floculadores actualmente en uso. Debido a la gran cantidad de compartimientos que tienen, confinan casi perfectamente el tiempo de retención; el tiempo real es prácticamente igual al tiempo teórico (4) cuando la unidad ha sido bien proyectada. Debido a que no se requiere energía eléctrica para su funcionamiento, el costo de producción es muy bajo. Debido a su mayor eficiencia y menor costo, en el Japón se han reemplazado los floculadores mecánicos por hidráulicos y actualmente solo se diseñan unidades de este tipo . UNIDADES DE FLUJO HORIZONTAL
Criterios para el dimensionamiento
En las unidades hidráulicas el gradiente de velocidad es una función de la pérdida de carga: •
G=
y/ µ .
hf/T
Donde: γ / µ
hf T
•
= = =
relación que depende de la temperatura del agua pérdida de carga total en m tiempo de retención en s
La pérdida de carga se produce a lo largo de los canales
(h ) 1
y principalmente en las vueltas
(h ), 2
por lo que la pérdida de carga total en el tramo h f = h1 + h2. h1 = n
=
v g r l
= = = =
[n v / r 2/3 ] 2 . I
coe c ente e p r a e carga e Mann ng. Con p anc as corruga as (n = 0,03), velocidad en los canales aceleración de la gravedad (m/s2) radio hidráulico del canal longitud total en el tramo (m) Página 17
h2 = K ( v 2 / 2g ). N
h1 hf h2
K
N
=
=
2, coeficiente de pérdida de carga en las curvas. número de vueltas o pasos entre canales.
H I1
I1
I2
1
I1
I2
Perfil 1
1
Planta
Comportamiento de la perdida en la carga
1
Aplicación
Se requiere proyectar un floculador de pantallas para un caudal de 30 L/s y se ha seleccionado la unidad de flujo horizontal por tratarse de un caudal pequeño. Se simuló el proceso en el laboratorio para determinar los gradientes de velocidad y tiempos de retención óptimos y se obtuvieron los resultados que se indican en el gráfico.
Correlación de G y T 100
) 1 s ( G
10 1
10
y = -20,193Ln(x) + 108,14 R2 = 0,9047
100
Tiempo (min)
Los resultados del estudio indican que se obtendría la mayor eficiencia con los gradientes de velocidad y los tiempos indicados en el cuadro (5).
Tramos
Gradientes de velocidad (s-1)
Tiempos de retención (min.)
1
80
5
2
60
10
3
50
15
4
45
20
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En el cuadro (6) se muestra un ejemplo de cálculo para un tramo del floculador de pantallas de flujo horizontal con pantallas de asbesto-cemento onduladas. El proceso se repite para los tramos siguientes. Datos
Paso
1
Unidad
Caudal Q = 0,030
m3/s
Tiempo de retención tramo 4 T 4 = 4,97
min
Velocidad en el tramo 4 V 4 = 0,12
m/s
2
3
Altura de agua en la unidad H = 0,70
m
4
5
Ancho útil de la lámina de asbesto-cemento corrugada b = 0,825
m
6
7
Espesor de las láminas de asbesto-cemento corrugadas e = 0,006
8
Coe fic ie nte de pér dida de c ar ga en las vueltas K = 2
9
Aceleración de la gravedad g = 9,8
10
11
m
Criter ios
L4 = V 4 x T 4 x 60
12
Resultados
L 4 = (0,12) (4,97) (60)
Longitud de canales del tramo 4
Unidad
m
L4 =35,8
Sección de canales del tramo 4 A4 = 0,25
m2
a 4 = 0,25 / 0,70
Ancho de canales del tramo 4 a4 = 0,36
m
d 4 = 1,5 a4
d 4 = 1,5
Ancho de vueltas del tramo 4 d 4 = 0,54
m
B = 3b + d 4
B = 3 (0,825) + 0,54
Ancho del floculador B = 3,0
m
N 4 = l 1 / B
N 4 = 35,8 / 3,0
Número de canales en el tramo 4 N 1 = 12
unidades
L4 = N 4 a4 + (N 4 - 1) e
L 4 = 12
Longitud del tramo 4 L4 = 4,4
m
h 1 = (2) (0,12) 2 (12-1) / 19,6
Pérdida de carga en las vueltas del cuarto tramo h1 = 0,017
m
P 1 = 2 (0,70) + 0,36
Perímetro mojado de las secciones del tramo 4 P 1 = 1,757
m
h2 = [ 0,03 (0,12) 2 / (0,142) 2/3 ] . (35,8)
Pérdida de carga en los canales del tramo 4 h2 = 0,0012
m
hf 1 = 0,017 + 0,0012
Pérdida de carga total en el cuarto
m
A = Q/ V 4
A =
a4 = A 4 / H
unida des h1 =KV 12 (N-1) / 2g
0,030 / 0,12
0,36
x
0,36 + (12-1) 0,006
x
m/s2
P 1 = 2H + a 1
Coeficiente de rugosidad n = 0,03
C á l c u lo s
unidades h2 = [NV 1 2 /r2/3 /3 ].L 1
hf 1 = h 1 + h 2
tramo hf 1 = 0,019 13
T = 20 C 0,5 (hf/T) = 3.115 °
G = (ã / ì ) ^ 0,5 (h f /T) ^0,5
G1 = 3.115 (0,019/ (4,95 60)) ^ 0,5
x
Gradiente de velocidad en el tramo 1 G1 = 25
s-1
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En el ejemplo se eligió un gradiente bajo para el último tramo (25 s -1) para optimizar la formación del flóculo. Se eligió el último tramo de la unidad para desarrollar el ejemplo de cálculo, a fin de indicar también cómo se chequea que las pantallas se crucen en toda la unidad por lo menos 1/3 del ancho. De acuerdo con el cálculo efectuado, el ancho de las vueltas en este tramo es de 0,54 metros y el ancho total del tanque, de 3 metros. Teniendo en cuenta dos anchos de vuelta correspondientes a cada extremo del canal, las pantallas traslaparían en una longitud de 3 – (0,54 x 2) = 1,92 m. Por lo tanto, el dimensionamiento es correcto. También se puede apreciar que se han modificado los tiempos de retención en cada tramo, de tal modo que las longitudes de todos los tramos sean iguales a 4,30 metros. Esto permitirá construir cuatro tanques iguales de 4,30 metros de largo, 3 metros de ancho y un metro de profundidad total.
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Bibliografía .(1)Programa Regional HPE/OPS/CEPIS de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. Manual V: Diseño. Tomo I. Criterios de diseño para la dosificación y mezcla rápida. Lima, CEPIS/OPS, 1992. .(2)Richter, Carlos. Submódulo C.19.3.1. Mezcla rápida. Módulo C.19.3. Diseño. Programa Regional de Mejoramiento de la Calidad del Agua para Consumo Humano. .(3)Amirtharajah, A. “Initial Mixing”. En Coagulation and Filtration: Back to the Basics. AWWA Seminar Proceedings, American Water Works Association, Dallas, 10-14 de junio, 1984. .(4)CEPIS/OPS (1973). Teoría, diseño y control de los procesos de clarificación del agua. Serie Técnica 13. Lima, CEPIS/OPS, 1966. .(5) CEPIS/OPS. Criterios de diseño de plantas de tratamiento de agua. Lima, CEPIS/OPS, s. f. .(6) Canepa de Vargas, Lidia. ‘‘Estudio sobre investigación en floculadores de pantallas de flujo horizontal’’. Documento inédito. Lima, 1977.
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