Cálculo Del Sedimentador

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

TRATAMIENTO DE AGUAS TEMA:

Cálculo del Sedimentador: Embalse El Azúcar parte del Plan Hidráulico Acueducto de Santa Elena (PHASE)

INTEGRANTES Arciniega Nathalia Barrera Mishel Lovato Estefanía Sánchez Andrea CATEDRÁTICO Ing. Marco Rosero.

Quito – Ecuador Marzo/Agosto 2017-2017

Tratamiento de Aguas

Cálculo del sedimentador

Cálculo del sedimentador El Embalse El Azúcar forma parte del Plan Hidráulico Acueducto de Santa Elena (PHASE), está localizado sobre el Río El Azúcar, ubicada en el Km. 90 de la carretera Guayaquil - Salinas, cerca de la Comunidad del Zapotal, a 8 Km. en la Comuna El Azúcar. (Suárez & Pérez, 2010) 1. Introducción Los embalses son ecosistemas creados por el hombre que proporcionan servicios de gran importancia. En la presente investigación el objetivo principal fue evaluar la calidad del agua y realizar un sistema de tratamiento del Embalse El Azúcar, con información del Estudio de Calidad del Agua de la Demarcación Hidrográfica de Guayas, de la SENAGUA, en el cual se analiza la calidad del agua del Embalse mediante un monitoreo continuo dentro de un periodo determinado y con puntos de muestreo establecidos, con los que se puede evidenciar el estado actual de dicho embalse estos análisis como el Índice de Calidad del Agua (WQI). Reportaron que la calidad del agua está de buena a regular. Dentro del análisis con la normativa se evidenció que en algunos meses sobrepasan el límite máximo permisible para uso agrícola y consumo humano con respecto a los parámetros Disco Secchi, Oxígeno Disuelto (OD), porcentaje de Oxígeno Disuelto (OD), Temperatura del agua, Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), Turbidez; además con el Análisis de riesgo realizado reportó que existe un riesgo de contaminación alto por excretas, basura y por actividad agrícola. Con respecto al análisis de bloques aleatorios completos, hubo una diferencia significativa = 0,05 tanto en las campañas como en los puntos de muestreo en los parámetros de nitratos, fosfatos, temperatura, sólidos totales disueltos debido a la actividad agrícola que se desarrolla alrededor de los puntos de muestreo del Embalse. Tabla 1. WTI Global del Embalse

Fuente: Demarcación Hidrográfica de Guayas, SENAGUA, 2013 Un sistema de pretratamiento es una estrategia que busca reducir los sólidos suspendidos, por lo que proponemos a la sedimentación como un proceso factible para limitar la elevada turbiedad del agua, y así evitar el deterioro de la calidad de agua, la importancia de los embalses radica en que son abastecimientos de agua ya sea para riego o consumo, por lo que es importante realizar 2



gestiones procurando optimizar su calidad. Teniendo en cuenta que pueden existir limitaciones en cuanto a no saber su flujo regular, inesperadas inclemencias del clima, características atípicas del ecosistema, o en general modificación de su turbidez por factores externos. El embalse El Azúcar forma parte del sistema del Trasvase Daule-ChongónSanta Elena que abastece de agua potable (por la empresa AGUAPEN) a más de 300 mil habitantes de unas siete comunidades peninsulares y de los cantones La Libertad y Salinas. Además, sirve para el riego de alrededor de 5,000 hectáreas de cultivos de hortalizas, cacao y banano. (Letamendi,2011).

2. Características Técnicas El sedimentador tiene por objeto separar del agua cruda partículas inferiores a 0,2 mm y superiores a 0,005 mm. Las partículas de limo tienen un promedio de 0,0039 a 0,0625 mm de diámetro así que es posible hacer el análisis de las partículas de lino ya que están dentro de este rango y se puede seguir considerando régimen laminar.

Relación entre la velocidad de sedimentación y el diámetro de las partículas. Fuente: (R.S. Ramalho, 1985). Los factores que afectan dentro del tema de sedimentación es la velocidad con la cual se sedimentan las partículas la cual presenta distintas maneras de comportarse de acuerdo a ciertos factores de la misma partícula entre ellos por su mayor complejidad es su forma. Figura 1.

La partícula se somete a tres fuerzas cuando se sedimenta en un líquido: una fuerza externa, en este caso gravitacional, otra de empuje hacia arriba (fuerza boyante), y una fuerza de resistencia. Si esta sedimentación se prolonga de forma infinita, habrá un momento en donde las fuerzas sobre la partícula se igualen, no actúe ninguna aceleración y haya una velocidad terminal constante durante el resto del proceso. Determinar esa velocidad terminal o de sedimentación, es el objetivo para procesos tales como purificación de agua y tratamiento de residuos. La forma que tiene una partícula afecta considerablemente la velocidad terminal a la cual se sedimenta y es debido a los estudios matemáticos y experimentales realizados respecto 3



al tema, que se estandarizó el cálculo su valor en dos situaciones: Si la partícula es esférica o no esférica. (A. Sayago Peñaloza). Como primer punto tenemos el cálculo de la velocidad de sedimentación

V s=

V s=

ρ −1 1 ∗g∗ s ∗d 2 18 η

( )

1 1400 kg /m 3−1 ∗9,8 m/s 2∗ ∗(0, 0625 x 10−3 )2 =5, 48 x 10−2 m/ s 18 0 . 00105 kg/m . s

(

)

Estructura de los Embalses Según Terra,et al., (2011) todo embalse consta de las siguientes estructuras básicas: La presa donde es la estructura de retención de las aguas , el aliviadero que es una estructura de descarga de los excedentes que llegan al embalse y las obras de toma las cuales son un conjunto de estructuras formado por una estructura de entrada y una de salida el cual permite tomar aguas del embalse y pasarlas al canal principal.

Figura 2.

Estructura del Embalse. Fuente: (Gómez, 2010)

Figura 3.

Planta y alzado de un sedimentador convencional para el Embalse Fuente: Recuperado de: El Azúcar. Instituto_teoría_sedimentación.pdf 4



Zona de Entrada: La que tiene como misión lograr la mejor uniformidad de las líneas de corriente. Zona de Sedimentación: Donde el régimen es uniforme y tiene lugar el fenómeno en estudio. Zona de Sedimentos: En la que se considera que las partículas removidas en el proceso quedan retenidas. Zona de salida: En la que se encauza al líquido clarificado hacia el o los canales que lo conducen a otras unidades de la planta de potabilización. 3. Criterios de Diseño de un Sedimentador Unidades de sedimentación  El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años.  El periodo de operación es de 24 horas por día.  La profundidad del sedimentador será entre 1,5 – 2,5 m, muy profundos son muy costosos.  Parámetros fisicoquímicos del agua, apara un sedimentador de alta tasa.  El fondo de la unidad debe tener una pendiente entre 5 a 10% para facilitar el deslizamiento del sedimento.  La velocidad en los orificios no debe ser mayor a 0,15 m/s para no crear perturbaciones dentro de la zona de sedimentación.  Se debe aboquillar los orificios en un ángulo de 15° en el sentido del flujo.  La descarga de lodos se debe ubicar en el primer tercio de la unidad, pues el 80% del volumen de los lodos se deposita en esa zona.  Se debe efectuar experimentalmente la determinación del volumen máximo que se va a producir.  El caudal por metro lineal de recolección en la zona de salida debe ser igual o inferior a 3 L/s.  Se debe guardar la relación de las velocidades de flujo y las dimensiones de largo y altura: (1) 5



L VH = H Vs

 El drenaje se efectúa por medio de una tubería diámetro mayor o igual a 12” o el que resulte de la fórmula: S=

(2)

A∗√ H 4850∗t

donde: S = Sección del tubo (m) A = Área superficial de la zona de sedimentación (m2) H = Profundidad del sedimentador (m) T = tiempo de vaciado (horas) Se escoge el diámetro y se encuentra el tiempo o viceversa. Un tiempo de vaciado normal está comprendido entre 1 y 2 horas. El caudal de lodos se calcula: (3)

Q=0,61∗S √2 g H

 La ubicación de la pantalla difusora de entrada es a 2 – 2,5 m aguas de distancia de la pared de entrada.  El tipo de distribuidor más efectivo tiene distribuidos uniformemente orificios de 125 mm, con relación de abertura del 6 al 8 %, con relación longitud/ancho y ancho/profundidad de 4/1 y velocidad del flujo de 15 cm/s y pérdida de carga de 2 – 3 mm  La velocidad en los canales debe estar entre 15 y 60 cm/s para evitar que el floc se rompa. El canal de entrada debe extenderse a lo ancho del tanque para asegurar una distribución uniforme sobre toda la sección transversal. Tabla 2. Velocidades de asentamiento para algunas partículas

Diámetro de partícula, [mm]

Clasificació n

10,0 1,0

grava

0,6 0,4

arena gruesa

U [mm/s]

CS, [m /d.m2]

1 000

86 400

100

8 640

63

5 443

42

3 629

3

6



0,2

21

1 814

0,1

8

691

0,06

3,8

328

0,04

2,1

181

0,62

54

0,154

13

0,02

arena fina

0,01 0,004

limo 0,0247 Fuente: (Moros, M. 2005)

2

3.1. Sedimentadores de flujo horizontal  Gran número de orificios con diámetro pequeño.  Los orificios más altos de la pared difusora deben estar a 1/5 o 1/6 de la altura (H) a partir de la superficie del agua y los más bajos entre 1/4 ó 1/5 de la altura (H) a partir de la superficie del fondo.  El tiempo de detención será entre 2-4 horas para aguas provenientes de coagulación o ablandamiento. Si se prescinde de filtración el tiempo puede ser de hasta 12 h.  La carga superficial será entre los valores de 15 - 30 m3/m2. día; en aguas frías se debe reducir la carga superficial de diseño y a mayor densidad de la partícula se puede usar mayor carga superficial de diseño.  La velocidad de flujo máximo 1cm/s.  La altura del nivel de agua debe estar entre 4-5 m.  La pendiente longitudinal del fondo debe ser mayor que 2%.  Número mínimo de tanques 2 para niveles bajo y medio de complejidad, para niveles medio y alto de complejidad mínimo 3 unidades.  Relación ancho/largo (B/L) será entre los valores de 4 - 8.  Relación largo/profundidad (L/H) será entre los valores de 5 - 25.

7



 Relación ancho/profundidad (B/H) entre 3 - 6. 3.2. Sedimentador flujo ascendente o vertical.  El tiempo de detención será entre 2-4 horas.  La carga superficial será entre los valores de 20 - 30 m3/m2. día y máximo 60 m3/m2. día.  La altura del nivel de agua debe estar entre 4-5 m.  Para tanques circulares el diámetro debe ser menor de 40 m.  Número mínimo de tanques 2 para niveles bajo y medio de complejidad, para niveles medio y alto de complejidad mínimo 3 unidades. 3.3. Sedimentador de alta tasa.

 El tiempo de detención esté entre 10-15 min.  La profundidad del tanque debe estar entre 4-5,5 m.  La carga superficial será entre los valores de 120 - 185 m 3/m2. día para placas angostas y 200 - 300 m3/m2. día para placas profundas.  El sistema debe cubrir la totalidad del área de sedimentación acelerada y debe constar de tuberías perforadas o canaletas que trabajen con un tirante de agua no inferior de 8 cm.  El número de Reynolds debe ser menor a 500 se recomienda un Reynolds a 250.  Número mínimo de tanques es 2.  La extracción de lodos debe ser continua puede hacerse con múltiples perforados colocados en superficies inclinadas con ángulo no menor de 45°.

3.4. Sedimentador con manto de lodos.

8



 El tiempo de detención esté entre 1-1,5 horas.  La velocidad de flujo entre 30-60 m/día.  La altura del tanque entre 4-7 m.  La concentración manto de lodos entre 10-20 % volumen.  La altura del manto varía según la unidad de 1-3 m. 3.5. Remoción y descarga de lodos.  La frecuencia de remoción de lodos determinado por el volumen en la zona de sedimentación, un buen criterio es un 20% sobre el volumen, el lavado puede ser manual (agua a presión y cepillos en periodos) o mecánica (barredores continuos).  Las válvulas de descarga del lodo deben situarse en un lugar de fácil acceso para el mantenimiento.  Para sedimentadores con remoción hidráulica de lodos se pueden hacer tolvas continuas o tolvas separadas de cada orificio.  El punto de descarga del sedimentador con remoción manual debe situarse preferencialmente en la zona de mayor acumulación de lodo.  La velocidad máxima del raspador debe ser 30 cm/min, la descarga debe ser automática y sincronizada con el movimiento del raspador. 4. Cálculo del sedimentador Datos de partida: Caudal de diseño a 16 años: 3

Q=21000 m /día

Ancho del sedimentador: B=1 m

Sólidos sedimentables: Área superficial de la zona de sedimentación: 21000 m3 /día ∗1 día 5,48 x 10−2 m/s ∗1h Q 24 h As= = =4,43 m2 Vs 3600 s

(4)

9


Dimensiones de largo L2 =


L2 (m): (5)

A s 13,28 m2 = =4,43m B 1m

Considerando que la difusión de la pantalla difusora del sedimentador debe ser entre 0,7 a 1,00 m de distancia de la pared de entrada: L=0,7+ L2=0,7+ 4,43 m=5,13 m L Comprobación de la relación: 3< <6 B L 5,13 m = =5,13 B 1m Comprobación de la relación: 5<

L <20 H

L 5,13 m = =5,13 H 1m Velocidad horizontal: 3

100∗21000 m ∗1 día día ∗1 h 24 h 100∗Q 3600 s VH= = =24,30 m/ s B∗H 1,0 m∗1 m

(6)

Tiempo de retención: 3

T 0=

volumen 27,73 m = =11412 s=3,17 horas 3 caudal 21000 m ∗1 día día ∗1h 24 h 3600 s

(7)

Altura máxima: ´ H=H +0,1∗L2=1 m+ 0,1∗5,13 m=1,513 m Pelo de agua de salida del vertedero: (8) 10



21000 m3 ∗1 día día ∗1 h 24 h 2 /3 Q 3600 s H 2= = 1,84∗B 1,84∗1 m

(

)

(

2 /3

)

=0,0026 m

Pantalla difusora: 3

21000m ∗1 día día ∗1h 24 h Q 3600 s A 0= = =0,0105 m2 V0 0,1 m/ s

(9)

Diámetro de orificio: d 0=0,0245m Área de cada orificio: π a0 = ¿ 0,02452=0,00047 m 4 n=

(10)

A0 0,0105 m2 = =22 a 0 0,00047 m

Porción de la altura de la pantalla difusora con orificios: 2 2 h=H − ∗H=1 m− ∗1 m=0,6 m 5 5

(11)

Número de filas y columnas de la pantalla: nf =3

nc =5 a1=

h 0,6 m = =0,20 m nf 3

(12)

a2=

B−a1∗(nc −1) 1 m−0,20 m∗(5−1) = =0,10 m 2 2

(13)

entre filas de a1=0,20 m entre columnas de a 2=0,10 m 11



Referencias Bibliográficas A. Sayago Peñaloza. (2001, abr.). Estudio del efecto de la forma y el tamaño de las partículas sobre la velocidad de sedimentación gravitacional de suspensiones. Escuela de Ingeniería Química, Venezuela. [PDF]. Disponible en: http://saber.ucv.ve/jspui/bitstream/123456789/46/1/Efecto%20de%20forma%20y %20tamano%20en%20sedimentacion.pdf Institute Of Water Pollution Control (1973) Manuales o Práctica en el control de la contaminación del agua. Inglaterra. McCabe, W.; SMITH, J.; HARRIOT, P. (2001) Operaciones Unitarias de Ingeniería Química. McGraw – Hill. 6a . ed. 2001. Nueva York, Estados Unidos. METCALF et al, (2004) Tratamiento y uso de Ingeniería de Aguas Residuales. 4ta Edición. Editorial Mc Graw Hill Estados Unidos. Moros, M (2005) Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable Sedimentadores, UNET Recuperado de: https://uvirtual.unet.edu.ve/pluginfile.php/307939/mod_resource/content/1/SEDIM ENTADORES.pdf 12



Pérez J, (2001) Tratamiento de Aguas Sedimentación, Universidad Nacional, Facultad de Minas recuperado de: http://www.bdigital.unal.edu.co/70/5/45_-_4_Capi_3.pdf R.S. Ramalho “Tratamiento de Aguas Residuales” Ed. Reverté S.A. Valencia, G. (1976) Diseño de plantas de tratamiento de Aguas Residuales para Países en Desarrollo, Centro de Estudios Panamericanos de Ingeniería Sanitaria, Perú.

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Cálculo Del Sedimentador

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