PLANTAS DE TRATAMIENTO AGUA POTABLE PTAP MEMORIA DE CÁLCULO – DOSIFICADORES, CANALETA PARSAHALL, CAMARA DE AQUITAMIENTO, FLOCULADOR ALABAMA. Rafael Andrés Salgado Díaz, José Fernando Navarro Otero Universidad del Magdalena, Facultad de Ingeniería, Ingeniería , Ingeniería Ambiental Y Sanitaria Docente: Álvaro Castillo. 2016-2
SELECCIÓN DEL DOSIFICADOR Para la selección del dosificador el coagulante a utilizar es el ploricloruro de aluminio tanto en seco como en líquido. Escogimos este coagulante debido a que es el más efectivo que hay en el mercado, ya que a la hora de formar floc lo hace de manera muy eficaz.
COAGULANTE EN SECO (POLICLORURO DE ALUMINIO) MESES DEL MUESTREO Y DOSIS ÓPTIMA ENERO 20 JULIO 20
FEBRERO 20 18 AGOSTO 19 19
MARZO 19 17 SEPTIEMBRE 21 25
⁄
ABRIL 19 19 OCTUBRE 25 23
MAYO 19 20 NOVIEMBRE 19 19
JUNIO 21 19 DICIEMBRE 20 20
Tabla 1. Dosis óptima para PAC en seco durante un año de muestreos.
COAGULANTE COAGULANTE EN SOLUCION (POLICLORURO DE ALUMINIO) MESES DEL MUESTREO Y DOSIS ÓPTIMA ENERO 7 16 JULIO 10 8
FEBRERO 17 12 AGOSTO 12 18
MARZO 14 16 SEPTIEMBRE 7 18
⁄
ABRIL 18 7 OCTUBRE 3 12
MAYO 6 5 NOVIEMBRE 3 6
JUNIO 9 8 DICIEMBRE 8 4
Tabla 2. Dosis óptima para PAC en solución durante un año de muestreos.
CÁLCULOS PARA LA SELECCIÓN DEL DOSIFICADOR
DOSIFICADOR EN SECO
Se realizó la prueba de jarras jarras en el laboratorio, la cual dio como resultado la dosis optima de 20mg/l y se toma una solución de 15% (solido líquido). Según la norma (RAS TITULO C rango 8%-16%), se encuentra en el rango. El turno será de 8 horas según el gerente del acueducto.
Cantidad optima de producto (mg/s)
Cap DCaPp 245∗204900mg/s CaCa Cap ∗turno Cap
Cap Q∗DP
= Cantidad optima de producto (mg/s) caudal=245l/s
=dosis optima de coagulante=20mg/l
Igual a 17,64 Kg/Hr
Cantidad de producto por turno (Kg/turno)
= Cantidad de producto por turno (Kg/turno)
= Cantidad optima de producto =17,64 Kg/Hr
Turno de 8 horas=8Hr/turno
Ca 17,64∗8141,12kg/turno V=Ca ∗So− V= Ca − 15 V=141,12∗(100) 940,8≈1000l
Volumen del tanque de dosificación (l)
Volumen del tanque de dosificación
= Cantidad de producto por turno=141,12Kg
So=solución del dosificador=15Kg en cada 100L
Como en el mercado no se consigue un tanque con esa capacidad entonces, se utiliza uno 1000L.
Caudal del dosificador (ml/s)
DOSIFICADOR EN SOLUCIÓN
940,8l 117,6 L/h Q TURNO 1Hr60min 1,95 / Q1117, 6 ∗ Q ,95∗60∗24 3,78 746,7 Galones/Dias
Se realizó la prueba de jarras en el laboratorio, la cual dio como resultado la dosis optima de 8mg/l, se utilizó como producto (PAC) y tiene una densidad de 1,3 gr/Ml. se tomó una solución de 7% (solido líquido). Este rango se encuentra entre los avalados por el RAS TITULO C. Memorias de cálculo
Cantidad optima de producto (mg/s)
Cap Q∗DP
Cap DCaPp 245∗7∗ 102,9mg/s CaCap Cap ∗turno Ca 6,17∗849,36K CaCa Ca ∗ρc − ρCac Ca ∗ρc − 49,36∗1,3− 37,9 L/turno V=Ca ∗So− Ca 37,9L/tuno V= 37,9 ∗ − 542,7Ll = Cantidad optima de producto (mg/s)
Caudal=245l/s
=dosis optima de coagulante=7mg/l
Igual a 6,17Kg/Hr
Cantidad de producto por turno (Kg/turno)
= Cantidad optima de producto (Kg/Hr)= 6,17Kg/Hr
Turno de 8horas=8Hr/turno
Cantidad de producto por turno (L/turno)
= 49,36
=densidad del coagulante= 1,3Kg/L
Volumen del tanque de dosificación (l)
= Cantidad de producto por turno=
So=solución del dosificador=7L en cada 100L
En este caso se coloca un tanque de 1000L, debido a que en el mercado no se consigue un tanque de estas dimensiones.
Caudal del dosificador (l/min)
542,8L ∗ TURNO Q TURNO 67,85 L/H 8Hr Q 67,85∗ 60mi1Hrn 1,130 / Q 1,95∗60∗24 3,78 746,7 Galones/Dias
CANALETA PARSHALL
Para el diseño de una canaleta Parshall como mezclador, se utiliza el siguiente procedimiento. A partir de estudios empíricos determinaron diferentes límites de caudal en función del ancho de garganta de la canaleta nos permite determinar el ancho de la garganta dentro de los rangos de caudales máximos y mínimos quese encuentran en la tabla1, esta determinación nos sirve cuando utilicemos la canaleta Parshall como aforador ya que como mezclador estará sujeta a la comprobación de la relación Ha /W
RESALTO HIDRÁULICO
a) Parámetros de diseño Deben tenerse en cuenta los siguientes parámetros de diseño:
La velocidad mínima en la garganta debe ser mayor de 2 m/s. La velocidad mínima del efluente debe ser aproximadamente 0.75 m/s. El resalto no debe ser oscilante; es decir que el número de Froude (Fr) no debe estar entre 2.5 y 4.5. El número de Froude debe estar entre 1.7 y 2.5 o entre 4.5 y 9.0. Ha/w debe estar entre 0.4 y 0.8. Donde Ha es la altura del agua y w es el ancho de la canaleta. Debe disponerse de un dispositivo aguas abajo con el fin de controlar la posición del resalto hidráulico
b) Punto de aplicación del coagulante La aplicación de la solución de coagulante debe realizarse en el punto de mayor turbulencia.
SELECCIÓN DE LA CANALETA PARSHALL
W W (m) A B C D E 0,845 0,915 1 pie 0,305 1,372 1,34 0,61 1,83 1,795 1,522 1,938 0,915 4 pie 1,22 213,5 2,09 2,135 2,667 0,915 6 pie 1,83 Tabla 1 W = Ancho de la garganta de la canaleta Parshall A = Longitud de las paredes de la sección convergente B = Longitud de la sección convergente C = Ancho de la zona divergente D = Ancho entrada sección convergente E = Profundidad total F = Longitud de la garganta G = Longitud de la sección divergente K = Longitud de las paredes sección divergentes N = Diferencia de elevación entre la salida y la cresta
F 0,610 0,610 0,610
CONDICIONES HIDRÁULICAS DE ENTRADA
Altura del agua en el punto de aforo, h a:
ℎ ()
Q = Caudal de diseño. K, n = Constantes de W. ha = Profundidad en la zona convergerte de la canaleta Parshall W 1pie 4pie 6pie Tabla 2
K 0.69 2,935 4,515
n 1,522 1,578 1,595
0. 2 45 ℎ ( 0,69 ) . 0.50
Q = 0.336 m 3/s, W = 1’, k = 0,69, n = 1,522
G 0,915 0,915 0,915
K 0,076 0,076 0,076
N 0,229 0,229 0,229
ℎ 0.0.35050 1,66
Según el RAS 2000, Título C. Ha/w debe estar entre 0.4 y 0.8. Donde Ha es la altura del agua y w es el ancho de la canaleta.
Ancho de la canaleta Parshall en el sitio de aforo, D’:
′ +
W = Ancho de la garganta de la canaleta Parshall. D = Ancho entrada sección convergentz
′ 23 0,8450.305+0.3050,6616 ′ ∗ℎ
Velocidad en la sección D´, Va:
Q = Caudal de diseño. D’ = Ancho del canal convergente en el punto de medición del ha = Profundidad en la zona convergerte de la canaleta Parshall
0. 2 45m 0.50∗0.6616/s 0.73/
Según el RAS 2000, Título C. La velocidad mínima del efluente debe ser aproximadamente 0.75 m/s.
Energía total disponible específica en la sección D’:
+ ℎ + .12 ha = Profundidad en la zona convergerte de la canaleta Parshall g = Gravedad N = Diferencia de elevación entre la salida y la cresta Va = Velocidad en la sección D´
0. 7 3 2∗ 9.81 +0.50+0.2290.76
CONDICIONES EN LA GARGANTA:
Cálculos para las condiciones del flujo en la garganta (W)
ℎ + 2 + : ℎ ∗ ℎ + + 2+ 0
E = Energía especifica antes del resalto hidráulico h1 = Profundidad del agua antes del resalto v1 = Velocidad del agua antes del resalto
Reemplazando h1 en la Ecu.
Se determinó que el valor de permitió iterar.
. Se tiene:
: 3,34m/s. se halló utilizando Excel, el cual nos
Según el RAS 2000, Título C. La velocidad mínima en la garganta debe ser mayor de 2 m/s.
Calculo para altura antes del resalto hidráulico, h1:
ℎ ∗
Q = Caudal de diseño. v1 = Velocidad del agua antes del resalto W = Ancho de la garganta de la canaleta Parshall
0, 2 45 ℎ 0,305∗3,3⁄4m/s 0,24 ∗ℎ
Calculo para el número de Froude, Fr:
v1 = Velocidad del agua antes del resalto g = Gravedad
h1 = Profundidad del agua antes del resalto
9,83,134m/s ∗0.24 2,17
Según el RAS 2000, Título C. El resalto no debe ser oscilante; es decir que el número de Froude (Fr) no debe estar entre 2.5 y 4.5. El número de Froude debe estar entre 1.7 y 2.5 o entre 4.5 y 9.0.
CONDICIONES HIDRÁULICAS DE SALIDA
Calculo de la altura después del resalto hidráulico, h2:
ℎ ℎ2 1 +8 1 ℎ 0.224 1+81,85 10,62 ℎℎ ℎℎ
h1 = Profundidad del agua antes del resalto Fr = Número de Froude
Calculo para la sumergencia:
hb = Profundidad de la zona divergente ha = Profundidad en la zona convergerte de la canaleta Parshall N = Diferencia de elevación entre la salida y la cresta h2 = Profundidad del agua después del resalto
2 29 0.62 0. 0.50 0,69
La sumergencia cumple, ya que el RAS nos indica que si se utiliza un W de rango de 1-8 pies, esta debe ser menor que 0,7. Cálculos para las pérdidas de energía en el resalto hidráulico, hf :
ℎ ℎ + ℎ
ha = Profundidad en la zona convergerte de la canaleta Parshall
N = Diferencia de elevación entre la salida y la cresta h2 = Profundidad del agua después del resalto
ℎ 0.50+0.2290.62 0.1058 ∗ℎ
Calculo para la velocidad del flujo en la salida de la canaleta parshall, en la sección C (Zona divergente), vc:
Q = Caudal de diseño. C = Ancho de la zona divergente h2 = Profundidad del agua después del resalto
0. 2 45 0.61∗0.6/2 0.64 / +2 3.34m/s+0.2 64/ 1,99/ 6ℎ ℎ 60,620.24 2,3337 t
Cálculos para la velocidad media del flujo en el resalto hidráulico, V:
vc = Velocidad en la zona divergente v1 = Velocidad del agua antes del resalto
Calculo para la longitud del resalto hidráulico, Lj:
h1 = Profundidad del agua antes del resalto h2 = Profundidad del agua después del resalto
Cálculos para el tiempo de retención, t:
L j = Longitud del resalto hidráulico V = Velocidad media del flujo
2.1,39337 9/ 1,13 ∗∗ℎ − ∙ 28 ° , 9 96, 2 6 28 ° , 8 , 5 3∗10 ℎ é í ó1, 130.1058 996, 2 6 ∗ 0 , 1 058 8,53∗10− ∙ ∗1,13 1027,86 − s−
Cálculo para el gradiente de velocidad del agua:
Según el RAS 2000 (para mezcladores hidráulicos El Gradiente medio de velocidad (G) debe estar entre 1000 s-1 y 2000 s-1) cumple.
DISEÑO DE LA CAMARA DE AQUIETAMIENTO
La cámara de aquietamiento constituye a los elementos que componen la primera fase de la planta de tratamiento de agua potable, no es requerida en todos las PTAR y su diseño no se encuentra normalizado en el RAS 2000, es decir su construcción se realiza siguiendo el criterio del investigador.
Cálculo del tiempo de retención y volumen de agua de la cámara:
Para un caudal de 0,245 m3, se utilizó un tiempo de retención de 30 segundos
0.7, 245 35⁄ ∗30 s
CÁLCULO DE LAS DIMENSIONES DE LOS ORIFICIOS Y PÉRDIDAS.
∗ 0,15 4 20 0,64 0, 1 5 3,1416∗ 4 0,0177m 1 ℎ ( ) ∗ ∗∗. 2 ℎ 0. 2 45 ℎ (0.64∗0,017∗20) ∗ 2∗9,1 81 0,060 0, 4 052 2, 2 8 0.71 1,75 2 + + + 3, 4 5 . ∗∗ 10,5 Perdidas de energía Constante de contracción Área de un solo orificio Constante gravitacional
DIMENSIONES para la CÁMARA DE AQUIETAMIENTO
Altura del agua (m)-Longitud de la placa con agujeros Longitud de la placa Inferior de la cámara Ancho de la cámara (m) Borde Libre Largo de la Cámara Altura total de la Cámara de Aquietamiento
Volumen de la cámara FLOCULADOR ALABAMA
El floculador Alabama, es un tipo de floculadores y el más utilizado en una planta de Tratamiento de Aguas para consumo Humano. Por eso es importante tenerlo
ya que es el que permite que las partículas se agloeren después de aplicarle un coagulante. Para su diseño, el diseñador tiene que tener en cuenta que el caudal a trabajar (Q) es 245 L/seg. El RAS sugiere que el número de floculadores mínimo que debe tener una planta de tratamiento es de mínimo 2 o más, el cual el diseñador asumira los siguientes parámetros.
PARAMETRO INICIALES Variables
Unidade s 0,245 m^3/seg Qd 2 Nf 11 Nc 30 Min 1800 Seg Tr 150 Seg Tc Tem 28 °C p 8,39E kg/(m*s) Miu -07 9,81 m/seg^2 G
Valor
Caudal Numero de flocu(Nf ) Numero de cám (Nc) Tiempo de r Tiempo (Tr) Tiempo de rete(Tc) T del agua Viscosidad de agua Gravedad
0, 2 45 2 / 0,1225 / 30min∗601800 ∗ 0,1225 ∗1800220,5
Caudal por floculador (Qu)
Volumen del floculador (V f )
CALCULO PARA LAS DIMENSIONES DE LAS CÁMARAS.
Volumen de las cámaras (V c)
220, 5 11 20,04 20, 0 4 2,6 7,70
Área de la cámara (Ac)
Se asume una altura (H a) de 2,6 metros para las cámaras y va a tener un borde libre de 0,2m Altura de la lámina de agua
Longitud de las cámaras (Lc)
+. 2,6 +0.2 2,8
Asumiendo que las cámaras serán de forma cuadrada, la ecuación para determinar la longitud será:
B= ancho del floculador, se asume 2,2m
7,2,720 3,50
TIEMPO DE RETENCIÓN EN LA CÁMARA (TRC)
DIMENSIONES DEL FLOCULADOR
180011 163,63
Longitud total del floculador (L c)
+[ ∗ +1∗] + [1 1+1 ∗0,2] 3,50∗11 41
e= espesor de los muros= 0,2m
DIMENSIONES DEL CODO Área del codo (Acd)
Velocidad del agua en el codo (vcd)
PERDIDAS DE CARGA
0 , 9 144 4 4 0,66 0, 1 225 0,66 / 0,19/
La pérdida de carga en los se calcula con la siguiente ecuación:
∗ℎ ∗
p= peso específico del agua hf = perdida de carga en el pasa muro, codo y orificio v=viscosidad cinemática TRC= tiempo de retención de la cámara
ℎ ( ∗) ∗ 21
Perdida de carga en el pasamuro (h1)
Qu= caudal por floculador Cd1= coeficiente adimensional de entrada (0,64) Ac= área del codo g= aceleración de la gravedad
0, 1 225 / ℎ 0,64∗0,66 ∗ 2∗9,811/ 0,00428
0 , 1 9 ℎ 2 0,4∗ 2∗9,81/ 0,000735
Perdida de carga en codo (h2)
vc=velocidad del agua en el codo k= coeficiente adimensional del codo (0,4)
ℎ ( ∗) ∗ 21 0, 1 225 ℎ30,8∗0,66/ ∗ 2∗9,811/ 0,00144
Perdida de carga en el orificio (h3)
Ao=área del orificio Qu= caudal por floculador Cd2= coeficiente adimensional de salida (0,8)
Perdida por cámara (hf )
Gradiente de velocidad en el paso entre cámaras
ℎ ℎ+ ℎ +ℎ 0,00428+0,000735+0,001440,006455 ∗ℎ 0,000000853 9,81/∗0,kg006455 − ∗ 22, 2 3 m∗s ∗150
20 −
Según el RAS cumple, ya que el gradiente de velocidad no debe ser menor a .
CALCULO DE PLATINAS
Diámetro de la platina= 32 pulgadas =0,8128m
0 , 8 128m 4 4 0,518 0, 1 225 / ℎ 0,8∗0,518 ∗ 2∗9,811/ 0,0309 ℎ ℎ+ ℎ +ℎ 0,00428+0,000735+0,03090,0359
Área de la platina
Perdida de carga en el orificio (h3)
Perdida por cámara (hf )
Gradiente de velocidad en el paso en la cámara
9, 8 1 ∗0, 0 359 ∗ℎ ∗ 0,000000853 m∗skg ∗150 52,52 −
Se diseñó una serie de platinas, las cuales le permitirán al operador poder cambiar los gradientes según las necesidades de la planta y los cambios en los parámetros fisicoquímicos del agua.
D (pg) 32 31 30 28 27 26 25 22 20 18 16
D (m) 0,8128 0,7874 0,762 0,7112 0,6858 0,6604 0,635 0,5588 0,508 0,4572 0,4064
A (m2) 0,51886967 0,48694703 0,4560378 0,39725959 0,36939062 0,34253506 0,31669292 0,24524699 0,20268347 0,16417361 0,12971742
H3 (m) 0,03096334 0,0272706 0,02391844 0,01815014 0,01569289 0,01349402 0,01153474 0,00691733 0,00472463 0,00309983 0,00193521
PENDIENTE DEL FLOCULADOR
HF(m) 0,03597834 0,0322856 0,02893344 0,02316514 0,02070789 0,01850902 0,01654974 0,01193233 0,00973963 0,00811483 0,00695021
G (s^-1) 52,5212331 49,7529426 47,0992956 42,1436194 39,8457755 37,6709039 35,6213177 30,2466316 27,3266001 24,9433095 23,0841178
ℎ ∑ℎ3 ∗ ℎ ∑ℎ3 ℎ3 0,16 ℎ 12 ∗110,146 0, 1 46 ℎ∗100% 41 ∗1000,357%
VALVULA DE SALIDA
De ultimo se hace el diseño de la válvula de desagüe para cada floculador, esta se hace para facilitar el lavado del folculador . Para este diseño, la altura de la lámina de agua y el tiempo de vaciado es escogido por el diseñador.
t As × 2gh 90, 2 m m⁄ 425,93 seg0,1183h t 0.072m × 2∗9,2,881mseg S= (longitud total ancho del floculador) hs= altura máxima del agua (2,8m) Ad= área del orificio por donde va a salir el agua sucia Se calcula de la siguiente manera:
π×d A 4
π×0, 3 048 A 4 0,072 m
d=diámetro del orificio Se asumió una válvula de 12 pg
A A , × ℎ A ×, √ 2,8 m A Dsa 4×Asaπ Dsa 4×0,π 28 0.60
Calculo para el área de salida área de salida Te= tiempo de evacuaciones en horas
x
x
= 0,28 m 2
Diámetro de la tubería de salida
Dsa= 23,62 pg, se aproxima a 25 pg
