Date post: | 08-Dec-2015 |
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FLOCULACIÓN
AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS COAGULADASEN PARTÍCULAS FLOCULENTAS O FLOCS
PROCESO DE MEZCLA LENTA PARAINCREMENTAR LA TASA DE ENCUENTROS OCOLISIONES ENTRE PARTÍCULAS Y PROMOVER SUAGLOMERACIÓN, AUMENTAR SU TAMAÑO YDENSIDAD
ES FUNCIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA, DE LACAPACIDAD DE INTERCAMBIO, DEL TAMAÑO DELFLOC, DE LA CONCENTRACIÓN DE FLOCS, DELpH, DE LA TEMPERATURA, DE LACONCENTRACIÓN DE ELECTROLITOS, DELGRADO Y DEL TIEMPO DE MEZCLA
FLOCULACIÓN
PERICINÉTICA: EL TRANSPORTE Y
CONTACTO DE LOS FLOCS LO
PROVEE EL MOVIMIENTO
BROWNIANO. ES IMPORTANTE CON
PARTÍCULAS MUY PEQUEÑAS
ORTOCINÉTICA: EL TRANSPORTE Y
CONTACTO DE LOS FLOCS LO
PROVEE UN MECANISMO EXTERNO
ECUACIONES PARA DISEÑO
UN ELEMENTO DE FLUIDO SOMETIDO A MEZCLA LENTA, ESTÁEXPUESTO A UN ESFUERZO CORTANTE τ ENTRE LAS LÁMINASDE FLUIDO DE ÁREA ΔXΔZ, SEPARADAS UNA DISTANCIA ΔY, YCON UNA DIFERENCIA DE VELOCIDAD dv.
VOLUMEN
DESPLAZADO
VELOCIDAD
Y
τ V
Z
X
ΔZ
ΔY
V+dv
ΔX
• LA POTENCIA DISIPADA EN LA MEZCLA ESTÁ DADAPOR:
P = F.v = τ ΔX ΔZ (dv/dy) Δy
• LA POTENCIA CONSUMIDA POR UNIDAD DEVOLUMEN DE FLUIDO SERÁ:
• SEGÚN LA LEY DE NEWTON DE LA VISCOSIDAD:
dv
dy
(4.9)
(4.7)
/4.8
X Y Z dv dyP dv
V X Y Z dy
2PG
V
PG
V (4.13)
POR DEFINICIÓN:(4.11)
dvG
dy
(4.10)2
P dv
V dy
FLOCULACION HIDRÁULICA
FLOCULADOR HIDRÁULICO DE FLUJO HORIZONTAL
FLOCULADOR HIDRÁULICO DE FLUJO HORIZONTAL
DOSIFICACIÓN DEL COAGULANTE
ENTRADA AL PRIMER CANAL DEL FLOCULADOR
DISEÑO DE FLOCULADORES
EL GRADIENTE DE VELOCIDAD ES
ACEPTADO AMPLIAMENTE COMO
MODELO DE DISEÑO
3.2P
GV
G = GRADIENTE DE VELOCIDAD, s-1
P = POTENCIA REQUERIDA, W
μ = VISCOSIDAD, Ns / m2, kg / ms, Pa.s
V = VOLUMEN DEL TANQUE, m3
DISEÑO DE FLOCULADORES HIDRÁULICOS
gHG
t
gHG
t
HG
t
PARÁMETRO VALOR REFERENCIA
Gradiente de Velocidad,
s-1
5-100 AWWA
10 - 100 Arboleda
20 - 70 RAS 2000
20 - 100 Smethurst
Número de Camp20.000 - 150.000 Smethurst
30.000 - 150.000 AWWA
Tiempo de retención,
min.
10 - 60 Smethurst, AWWA
10 - 90 Fair
15 - 20 Arboleda
15 - 60 Insfopal
20 - 30 RAS 2000
20 - 50 Hardenbergh
Velocidad de flujo, m/s
0,09 – 0,30 AWWA
0,10 – 0,60 Arboleda
0,10 – 0,90 Fair
0,15 – 0,45 Insfopal - Hardenbergh
0,15 – 0,50 Smethurst
0,20 – 0,60 RAS 2000
Pérdida de energía, m0,15 – 0,60 Smethurst
0,30 – 0,90 Fair
Altura, m>0,9 Insfopal - Hardenbergh
2 - 5 m RAS 2000 para flujo vertical
DISEÑO DE FLOCULADORES HIDRÁULICOS
FLOCULADOR HIDRÁULICO
DE FLUJO HORIZONTAL
Entrada afluente
PLANTA
V1
V2
L
B
Bafles o tabiques
Entrada afluente
CORTE LO
Pérdida de
carga
Bafles o tabiques
LONGITUDINAL
ESQUEMA FLOCULADOR HIDRÁULICO DE FLUJO HORIZONTAL
La pérdida de carga en el floculador hidráulico de flujo
horizontal se presenta en los tramos rectos y en los giros de 180º.
La pérdida de carga en las curvas corresponde al producto de
un factor por la altura de velocidad del flujo en el canal:
g
VKhv
2
2
hv = pérdida en cada vuelta de 180º, m
g = aceleración de la gravedad, m/s2
V = velocidad de flujo, m/s
K = valor empírico que tiene en cuenta la turbulencia y la
fricción en la curva, generalmente 1,5 a 3,2.
El cálculo de la pérdida de energía en los tramos rectos se
hace mediante las ecuaciones convencionales para
pérdidas por fricción en canales con flujo laminar, la más
usada la ecuación de Manning o Strickler:
34
22
R
LnVh f
V: velocidad media en el tramo recto, m/s
n: coeficiente de rugosidad de Manning
R: radio hidráulico, m
L: longitud de canal, m
g
Vnhv
2*22,3*
2
mhv 90,06,19
265,0*22,3*78
2
EJEMPLO de un floculador hidráulico de flujo horizontal:• Período de retención: 20 minutos
•Volumen : 24 m3
•Longitud de la cámara: 12,9 m
•Ancho de la cámara: 3,85 m
• Profundidad del agua: 0,50 m
•Volumen provisto: 24,8 m3
•Separación entre bafles: 0,15 m
•Espesor de pantallas: 0,014 m (lámina de 14 mm quintuplex)
•Velocidad del agua 0,265 m/s
•Número de bafles: 78
•Longitud total del canales: 300,3 m
•Pérdida de carga en las curvas:
Área mojada: 0,0755 m2
Perímetro mojado: 1,15 m
Radio hidráulico: 0,0655 m
Pérdida de carga por fricción, según Manning:
mLRH
nVLSh f 32,03,300*
0655,0
020,0*265,0*
**
2
32
2
32
Pérdida de carga en el floculador: 1,22 m
Gradiente velocidad )º10(1031,1, 6 Cxt
ghG
1
687
200.11031,1
22,18,9
s
xx
xG
4.11 PROBLEMA
Diseñar un floculador hidráulico, de flujo horizontal,
para un caudal de 10.000 m3/d (106 L/s).
El tanque de floculación debe estar dividido en 3
secciones de volúmenes iguales, con gradientes de
velocidad 50, 35 y 25 s-1, respectivamente.
El tiempo total de floculación es de 21 minutos.
La temperatura del agua 15°C, μ = 1,14 x 10-3 Pa.s.
La pantallas son de madera con un coeficiente de
fricción, f = 0,3.
La longitud del floculador debe ser igual a 10 m.
SOLUCIÓN
1. El volumen del floculador será:
V= 10.000 x 21/1440 = 146 m3 = Qt
2. El ancho del floculador, para una
profundidad de flujo de 1m, valor
razonable en floculadores hidráulicos de
flujo horizontal, será:
W=146/(1x10)=15 m
3. Para tres cámaras iguales de floculación,
el ancho de cada cámara o sección será:
W=15/3 =5 m
El número de pantalla se puede calcular por la expresión de Richter:
N: Número de pantallas
μ: Viscosidad dinámica, Pa.s, kg/m.s
T: Tiempo de retención, s
ρ : Densidad del agua, kg/m3
f: Coeficiente de fricción
H: Profundidad de flujo, m
L: Longitud del floculador, m
G: Gradiente de velocidad, s-1
Q: Caudal, m3/s
132
2 t HLGN
1,44 f Q
En la primera sección del floculador, para
G= 50 s-1:
N= 22 pantallas
13232 1,14 10 7 60 1 10 50 86.400
N1.000 1,44 0,3 10.000
5. La distancia entre pantallas
será:
e=10/22=0.45 m
El valor anterior es el valor mínimo
recomendado, generalmente, para
separación entre pantallas.
6. La pérdida de energía, en la primerasección del floculador, se calcula por laecuación 4 – 17:
2
23
tGh
g
1,14 10 7 60 50h
1.000 9,8
h 0,12m
7. La velocidad de flujo será:
El valor anterior es aceptable, generalmenteoscila entre 0,1 y 0,3 m/s
Q 10.000v
A 86.400 1 0,45
v 0,26m/ s
La distancia libre entre
el extremo de cada
pantalla y la pared de la
cámara de floculación
será:
Distancia = 1,5 e
Distancia = 1,5 x 0,45 = 0,68 m
Repitiendo los cálculos, para la segunda
sección del floculador se obtiene:
G = 35 s-1
T = 7 min
N = 17
e = 0,59 m
1,5 e = 0,88 m
H = 0,06 m
V = 0,20 m/s
Para la tercera sección delfloculador se obtiene:
G = 25 s-1
T = 7 min
N = 14
e= 0,71 m
1,5e = 1,07 m
H = 0,03 m
V = 0,16 m/s
La pérdida de energía total en
el floculador:
h= 0,12+0,06+0,03= 0,21 m
El diseño del floculador para
10.000 m3/d se muestra en la
figura 4.13
FIGURA 4.13 Floculador Hidráulico de Flujo Horizontal para un Caudal de 10000 m3/d
4.12 EJEMPLO
Diseñar una cámara de floculaciónhidráulica, de flujo horizontal, paraun caudal de 10.000 m3/d (116 L/s),con gradiente de velocidad de 50 s-1
tiempo de retención de 7 minutos.
La viscosidad del agua es de 1,14 x10-3 Pa.s
Las pantallas son de madera con uncoeficiente de rugosidad de Manningde 0,013.
La longitud del floculador debe serigual a 10 m.
FLOCULADOR HIDRÁULICO
DE FLUJO VERTICAL
4.18 EJEMPLO
•Determinar las características
de un floculador hidráulico, de
flujo vertical, para un caudal de
15 L/s, tiempo de retención de
30 minutos, ancho del tanque
de 4 m.
DATOS EJEMPLO 4.18
CAUDAL = 15 L/s
TIEMPO DE RETENCIÓN = 30 MINUTOS
ANCHO DEL TANQUE = 4 m
VELOCIDAD DE FLUJO = 0,15 m / s
PROFUNDIDAD DE CADA CANAL = 1,5 m
ANCHO DE CADA CANAL = 0,4 m
ESPESOR DE MUROS DE SEPARACIÓN DE CANALES =0,05m
ESPESOR DE TABIQUES ENTRE COMPARTIMIENTOS=0,01m
SOLUCIÓN
LONGITUD DE FLUJO
L=0,15x30x60=270m
NÚMERO DE CANALES VERTICALES
N=270/15=180
ÁREA DE FLUJO
A=0,015/0,15=0,10m2
DISTANCIA ENTRE PANTALLAS
e=0,10/0,4=0,25m
SOLUCIÓN
NÚMERO DE CANALES A LO ANCHO
N x 0,4 + (N-1) 0,05 = 4 m
N = 9 CANALES
RADIO HIDRÁULICO
R=A/P=0,25x0,4/2(0,25+0,4)=0,077m
PÉRDIDA POR FRICCIÓN
mh
R
Lnvh
f
f
03,0)077,0(
27015,0013,0
34
34
2
2
SOLUCIÓN
VELOCIDAD DE FLUJO PARA ORIFICIOS
DE 0,375m DE ALTURA
mh
g
vNNvh
CURVASLASENPERDIDA
smA
Qv
30,08,92
1,017915,0180
2
1
/10,0375,04,0
015,0
22
2
2
2
1
2
SOLUCIÓN
PERDIDA EN EL FLOCULADOR
H=hf+ h =0,33m
mL
FLOCULADORDELLONGITUD
Gt
st
HG
19,501,01925,020
000.72603040
4060301014,1
33,09800 1
3
PLANTA
5.19 m
0.25 m e= 0.01 m = Espesor de tabiques
0.4 m
e= 0.05 m =
Espesor de muros
Afluente ٱ s
ٱ
ٱ
ٱ
ٱ
ٱ
ٱ
s
ss
s
s
s
9 filas de 20 canales = 180 canales
FLOCULADOR
ALABAMA
Figura 4.15 Floculador tipo Alabama
Figura 4.16 Esquema de floculador tipo Alabama