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Contenido 1. Marco teórico ............................................................................................................................ 5 1.1 Mezcla de coagulantes ......................................................................................................... 5 1.2 Velocidad de la mezcla ......................................................................................................... 5 1.3 Métodos para realizar la mezcla rápida. ............................................................................... 5 1.4 Con retromezcladores .......................................................................................................... 6
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Loa coagulantes metálicos de Al y Fe deben aplicarse en solución verdadera. El aplicar un coagulante en suspensión o en polvo, sin que las partículas del compuesto hayan tenido tiempo de disolverse, disminuye notablemente la efectividad del proceso. 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. La mezcla rápida puede realizarse aprovechando la turbulencia provocada por dispositivos hidráulicos o mecánicos.
La velocidad con la cual los coagulantes deben dispersarse en toda la masa de agua, depende de la velocidad de las reacciones de estos con la alcalinidad y con el agua misma. Si el coagulante es agregado en el tiempo t=t1 y alcanza a ser dispersado completamente en el tiempo t=t2; (t2-t1)= será el tiempo que tardo en efectuarse la mezcla. Por otro lado, si t=tR es el tiempo que tarda en completarse la reacción de los coagulantes con el agua y la alcalinidad. Para que la mezcla sea eficiente, tM (tiempo de m ezcla) debe ser menor que tR (tiempo de reacción). Ahora bien, el tiempo de reacción tR parece estar influenciado por las características de la fase acuosa, esto es pH y la alcalinidad del agua.
En plantas de tratamiento la mezcla rápida se puede realizar en dos formas: 1. Con mezcladores de flujo de pistón y 5|P á g i n a
2. Con retromezcladores
En los primeros, la adicción del coagulante se hace al pasar la masa de agua por un punto determinado, en el cual se produce una fuerte turbulencia inducida por un aparato hidráulico (orificio, vertedero, constricción, etc.). En los segundos, el agua es retenido en una cámara especial por un tiempo de detención nominal V/Q de 10-60 seg., en donde se aplican coagulantes, mientras se agita con una turbina o paleta rotatoria o cualquier otro sistema para crear turbulencia. La diferencia entre ambos métodos es amplia. En los retromezcladores, el agua que entra y acaba de ser dosificada con el coagulante, se mezcla con el agua previamente retenida en la cámara y que hace algún tiempo recibió la dosis de coagulante. Esto produce una interacción entre los compuestos químicos iniciales, que se forman en la masa de agua que llega y los previamente formados en la masa de agua retenida en el tanque, lo que no parece beneficiar el proceso. En los reactores de flujo de pistón, en cambio, no parece existir este fenómeno pues, el flujo a medida que va pasando va recibiendo su inyección de coagulante, y la intermezcla entre las masas de agua es mínima. En ambos casos la turbulencia puede crearse hidráulica o mecánicamente, esto es utilizando la energía cinética que trae el agua o introduciéndolo en el flujo de energía procedente de una fuente externa.
Los sistemas más comunes son: 1. 2. 3. 4.
Salto hidráulico, Canaleta Parshall Tubo Venturi Dispersores
Para que los mezcladores de flujo de pistón sean eficientes, los coagulantes deben estar completamente en solución antes de ser inyectados.
Ya en 1927, Levy y Ellms habían propuesto el uso del salto hidráulico para mezclar los coagulantes, debido a la gran energía consumida por él, la cual se transforma en turbulencia. La condición básica para que se pueda producir es:
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El salto se forma mejor a F entre 4.5 y 9. La energía consumida en turbulencia en este caso puede estar entre el 45% y el 70%, lo que hace un mezclador muy eficiente. El cálculo de esta se hace a partir de las diferencias en energía especifica antes y después del salto. Así:
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 de unidades de mezcla rápida, por lo cual son muy populares
Gradientes de velocidad entre 700 y 1.300 s -1 y tiempos de retención menores de un segundo. Números de Froude (F) variables entre 4,5 y 9,0 para conseguir un salto estable El coagulante debe aplicarse en el punto de mayor turbulencia (inicio del resalto), en forma constante y distribuida de manera uniforme en toda la masa de agua.
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La canaleta Parshall es una de las formas más comunes de producir una me zcla hidráulica. Debido a su forma de velocidad del flujo aumenta en la sección de aproximación y pasa por la profundidad critica (F=1) al comienzo de la garganta. El incremento brusco de la pendiente (2.67: 1) acelera el agua creando régimen supercrítico, el cual se resuelve en un salto hidráulico al encontrar la pendiente negativa de la sección G en la que el régimen es subcrítico. Este salto hidráulico es el que se puede usar con sistema de mezcla. A fin de que trabaje en forma eficiente, .
La relación de Hb/Ha se llama grado de sumersión o ahogamiento. Para que la descarga sea libre, el grado de sumersión debe ser menor de 0.60, si la canaleta tiene w menor de 0.30; y 0.70 m., si w esta entre 0.30 y 2.5 m. en el salto hidráulico se produce una pérdida de carga Hp que representa la energía en turbulencia, y que es la que se utiliza para la mezcla. Para el 70% de sumersión Hb=0.30Ha, lo que permite calcular la perdida de carga y la energía disipada.
Ocurre cuando el ahogamiento no excede el valor: 0.60 para los medidores de ancho nominal menor a 0.30 mt 0.70 para los medidores de ancho nominal entre 0.30 y 2.40 mt.
Ocurre cuando el ahogamiento excede los valores del flujo libre.
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Tabla 1: dimensiones de la canaleta Parshall (cm)
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.
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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:
Alta concentración de coloides → mecanismo de absorción o de neutralización de cargas Baja concentración de coloides → mecanismo de barrido.
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 rectangular y triangular solo a caudales pequeños; el último, preferiblemente a caudales menores de 30 L/s. Tabla 2: resumen de rangos de caudales
≥ 500
Cualquier rango de caudal
≤30
Caudal de diseño de la planta de tratamiento:
La tabla anterior especifica el caudal de trabajo para los mezcladores rápidos. Los vertederos rectangular y triangular trabajan con caudales menores a 30 l/seg. Mientras que un canal con cambio de pendiente se adapta a cualquier rango de caudal, en cuanto a la canaleta Parshall el caudal recomendado es mayor a 500 L/seg esto debido a la complejidad de construcción para canales pequeños. En la actualidad existe en el mercado canaletas Parshall prefabricadas lo que facilita su instalación y por ende se puede manejar caudales más pequeños que los recomendados. Debido la fácil instalación de vertederos Parshall prefabricados, por ser un medidor y mezclador de flujo, es el mezclador hidráulico más común y que se adapta a caudales más pequeños. Para el caudal de se escoge como mezclador rápido la
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Canaleta Parshall Generalmente, trabaja con descarga libre. La corriente líquida pasa de una condición supercrítica a una subcrítica, lo que origina el resalto.
Caudal Q=250 l/s = 0.25 m3/seg Tabla 3: Rango de caudales de la canaleta Parshall
En base a iteraciones se encuentra que el tamaño de la canaleta (w)= 1 ½ ’ = 0.46 mt Tabla 4: Valores de K y m
== 0.0.966650
Con el ancho de la canaleta definido se determina las constantes k y m de la tabla 4
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Tabla 5: Dimensiones de la canaleta Parshall en cm.
Altura de agua en la sección de medición (m)
= = 0.966∗ 0.25. = 0.39 = 23 + = 23 1.026 0.46 + 0.46 = 0.84 = ∗ = 0. 840.∗0.25 39 = 0.76 = = 0.0.4265 = 0.54 0. 7 6 = 2 + + = 2 ∗9.81 + 0.39+ 0.229 = 0.65 6.
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∗9.81 . = 0.6044 = 2 . = 2 ∗0.9.5481∗0. 3 3 65 = − = 127.18° . 2 ∗9.81 ∗0.65 . 127.18 2 = 2 3 3 = 2 3 3 = 3.04
ℎ = = 3.0.0544 = 0.178 = ℎ = √ 9.83.1∗0.04 18 = 2.28
El número de Froude debe cumplir con la condición de 2-3 unidades para la mezcla rápida en la canaleta Parshall.
ℎ = ℎ2 (1 +8). 1 = 0.218 1+82.28. 1 = 0.50 = ℎ = 0. 40.6∗0.25 50 = 1.09 K=7.6 cm = 0.08 mt (tabla No. 5)
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N=0.23 mt (tabla No. 5)
ℎ = ℎ = 0.50 0.23 0.08 = 0.35
C=0.762 mt (tabla No.5)
0.25 35 = 0.94 = ℎ = 0. 762∗0.
ℎ = + ℎ = 0.39+ 0.08 0.35 = 0.12 G=0.915 mt (tabla No. 5)
= 2′ + = 21.0∗0.9+90.1594 = 0.90
El tiempo de mezcla optimo es menor a 1 segundo por lo tanto cumple.
Tabla 6: Valores de
/
= / ℎ/ = 2736.53∗ 0.0.1920 = 1013.06 Enlamezclarápidaelvalordelagradientedevelocidaddebeestarcomprendidoentre7001300S-1porlotantocumpleconesacondición 14 | P á g i n a
TEMPERATURA (◦C) CAUDAL (m^3/s) (W) ANCHO GARGANTA (m)
Datos de tablas (CEPIS) -En funcion del ancho de la garganta (w)-
ALTURA DE AGUA EN LA SECCION DE MEDICION(m) ANCHO DE LA SECCION DE MEDICION(m) VELOCIDAD EN LA SECCION DE MEDICION(m/s) CAUDAL UNITARIO(m/s/m) CARGA HIDRAULICA DISPONIBLE(m) ANGULO EN RADIANES ANGULO EN GRADOS VELOCIDAD ANTES DEL RESALTO(m/s) ALTURA DE AGUA ANTES DEL RESALTO(m) NUMERO DE FROUDE ( 2 - 3 ) ALTURA DEL RESALTO(m) VELOCIDAD EN EL RESALTO(m/s) ALTURA EN LA SECCION DE SALIDA(m) VELOCIDAD EN LA SECCION DE SALIDA(m/s) PERDIDA DE CARGA EN EL RESALTO(m) TIEMPO DE MEZCLA(s) GRADIENTE DE VELOCIDAD(s-1)
= = =
10 0.25 0.46
m= k=
0.65 0.966
D=
1.03
N= K1 = C= G= (ϒ/μ)^.5
0.23 0.08 0.76 0.92 2736.53
(Ho) (D') (Vo) (q) (Eo)
0.39 0.84 0.76 0.54 0.65 2.22 127.40 3.04 0.18 2.30 0.50 1.09 0.35 0.95 0.12 0.90 1013.06
(V1) (h1) (F) (h2) (V2) (h3) (V3) (Hf) (T) (G)
Numero de froude (2-3) = 2.30 → Cumple Tiempo de mezcla (<1 seg)= 0.90 seg → Cumple Gradiente de velocidad (700-1300) = 1,013.06 S -1 → Cumple
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Para la canaleta Parshall seleccionada puede funcionar a decuadamente hasta un caudal mínimo de 0.19 m3/seg = 190 L/seg como se muestra en la tabla siguiente.
TEMPERATURA (◦C) CAUDAL (m^3/s) (W) ANCHO GARGANTA (m)
Datos de tablas (CEPIS) -En funcion del ancho de la garganta (w)-
ALTURA DE AGUA EN LA SECCION DE MEDICION(m) ANCHO DE LA SECCION DE MEDICION(m) VELOCIDAD EN LA SECCION DE MEDICION(m/s) CAUDAL UNITARIO(m/s/m) CARGA HIDRAULICA DISPONIBLE(m) ANGULO EN RADIANES ANGULO EN GRADOS VELOCIDAD ANTES DEL RESALTO(m/s) ALTURA DE AGUA ANTES DEL RESALTO(m) NUMERO DE FROUDE ( 2 - 3 ) ALTURA DEL RESALTO(m) VELOCIDAD EN EL RESALTO(m/s) ALTURA EN LA SECCION DE SALIDA(m) VELOCIDAD EN LA SECCION DE SALIDA(m/s) PERDIDA DE CARGA EN EL RESALTO(m) TIEMPO DE MEZCLA(s) GRADIENTE DE VELOCIDAD(s-1)
= = =
10 0.19 0.46
m= k=
0.65 0.966
D=
1.03
N= K1 = C= G= (ϒ/μ)^.5
(Ho) (D') (Vo) (q) (Eo)
(V1) (h1) (F) (h2) (V2) (h3) (V3) (Hf) (T) (G)
0.23 0.08 0.76 0.92 2736.53
0.33 0.84 0.69 0.41 0.58 2.15 123.13 2.94 0.14 2.51 0.43 0.95 0.28 0.89 0.12 0.99 970.65
Numero de froude (2-3) = 2.51 → Cumple Tiempo de mezcla (<1 seg)= 0.99 seg → Cumple Gradiente de velocidad (700-1300) = 970.65 S -1 → Cumple 16 | P á g i n a
Para la canaleta Parshall seleccionada puede funcionar adecuadamente hasta un caudal máximo de 0.395 m3/seg = 395 L/seg como se muestra en la tabla siguiente.
TEMPERATURA (◦C) CAUDAL (m^3/s) (W) ANCHO GARGANTA (m)
Datos de tablas (CEPIS) -En funcion del ancho de la garganta (w)-
ALTURA DE AGUA EN LA SECCION DE MEDICION(m) ANCHO DE LA SECCION DE MEDICION(m) VELOCIDAD EN LA SECCION DE MEDICION(m/s) CAUDAL UNITARIO(m/s/m) CARGA HIDRAULICA DISPONIBLE(m) ANGULO EN RADIANES ANGULO EN GRADOS VELOCIDAD ANTES DEL RESALTO(m/s) ALTURA DE AGUA ANTES DEL RESALTO(m) NUMERO DE FROUDE ( 2 - 3 ) ALTURA DEL RESALTO(m) VELOCIDAD EN EL RESALTO(m/s) ALTURA EN LA SECCION DE SALIDA(m) VELOCIDAD EN LA SECCION DE SALIDA(m/s) PERDIDA DE CARGA EN EL RESALTO(m) TIEMPO DE MEZCLA(s) GRADIENTE DE VELOCIDAD(s-1)
= = =
10 0.395 0.46
m= k=
0.65 0.966
D=
1.03
N= K1 = C= G= (ϒ/μ)^.5
0.23 0.08 0.76 0.92 2736.53
(Ho) (D') (Vo) (q) (Eo)
0.53 0.84 0.89 0.86 0.80 2.36 135.00 3.23 0.27 2.00 0.63 1.36 0.48 1.08 0.13 0.75 1124.04
(V1) (h1) (F) (h2) (V2) (h3) (V3) (Hf) (T) (G)
Numero de froude (2-3) = 2.00 → Cumple Tiempo de mezcla (<1 seg)= 0.75 seg → Cumple Gradiente de velocidad (700-1300) = 1,124.04 S -1 → Cumple 17 | P á g i n a
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