Diseño de una Planta Portátil Potabilizadora de Agua de 50 Metros Cúbicos por Día



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FIGURA 2.2. DISEÑO DE FORMA DE PLANTA POTABILIZADORA

(a) PLANTA (b) POSTERIOR (c) LATERAL

2.5. Diseño de la Planta

Con los datos obtenidos en los subcapítulos anteriores se procede al diseño de cada una de las partes de la planta potabilizadora.



2.5.1. Coagulación y Floculación

En la tabla 14 se puede observar que el mejor coagulante es el Policloruro de Aluminio (PAC) con una dosis de 15mg/l, ya que con una menor cantidad se logra obtener una menor turbidez del agua cruda a tratar, cuyo valor esta dentro de los requisitos que exige la Norma Ecuatoriana INEN 1108 para agua potable (≤ 5 NTU).



Preparación de la Solución de PAC

Se disuelve un saco de 25 Kg de PAC en agua clarificada hasta completar 200 litros.







Dosificación de Coagulante

Cantidad de PAC utilizado por día

(1)

Donde:


Dosis: 15 mg/l

Q= caudal de agua a tratar 50m3/día (2.08m3/h)







Caudal de la Solución de PAC a dosificar QD

(2)

Donde:


Dosis= 15 mg/l (15 gr/m3)





Calibración del dosificador para obtener el caudal deseado de PAC

La capacidad de bomba dosificadora es de 6 litros por hora a una presión de 7 Bar (las especificaciones se indican más adelante). Por razones operativas la bomba debe trabajar a un caudal mayor al calculado anteriormente, por lo tanto se diluye aún más la solución de PAC con agua destilada a razón de 1 litro de solución en 10 litros de agua, obteniendo una nueva solución.



(3)

Donde:


ST= solución de trabajo





Caudal de trabajo de la bomba dosificadora

(4)





Ajuste de la Relación de Frecuencia

(5)

Donde:


QN= 6 l/h caudal nominal de la bomba dosificadora.



Con una carrera del 100%, la regulación de frecuencia debe ser del 46%.



Diseño del Inyector

Parámetros de Diseño:



  • La relación (Rc) entre la velocidad de los chorros (Vc) y la velocidad del agua dentro de la tubería de ingreso (Va) debe ser mayor igual a 5.

  • Tiempos de mezcla menores a 1 segundo.

  • El área cubierta por los chorros será al menos el 80% de la sección del tubo.

  • El gradiente de velocidad debe ser 1000 a 2000s-1.

Se asume un diámetro de la tubería de ingreso dt= 1 ½” o su equivalente 0.038m

di =diámetro del orificio del inyector 1era y 2da hilera.

Q= 50m3/día (5.787x10-4m3/s) caudal del agua cruda.

Velocidad del agua en la tubería de ingreso Va

(6)

Donde:


Ast= área de la sección de la tubería de ingreso

(7)



Reemplazando en la ecuación (6)







Velocidad del chorro Vc

(8)





Diámetro de los orificios de la primera hilera d1

Se asume que el diámetro cubierto del tubo de ingreso debido a la zona de máxima deflexión de los chorros de la primera hilera es igual a la mitad del diámetro del tubo.



(9)

Donde:


Xs1= diámetro cubierto por los chorros de la primera hilera (0.038m/2 = 0.019m)





El diámetro del chorro producido por el orificio de 1mm se obtiene de la siguiente ecuación.



(10)





Área cubierta por los chorros de la primera hilera

Se realizan en la primera hilera 11 perforaciones de 1mm de diámetro (N1=11)



(11)



La longitud que alcanzan los chorros de la primera hilera (Z1) se obtiene de la siguiente ecuación.



(12)



Xs2= 0.019m/2= 0.0095m diámetro cubierto por los chorros de la segunda hilera



(13)





El diámetro del chorro producido por el orificio de 0.05mm se obtiene de la siguiente ecuación.



(14)





Área cubierta por los chorros de de la segunda hilera A2

Se realizan en la segunda hilera 11 perforaciones de 0.5mm de diámetro (N2=11).



(15)



La longitud que alcanzan los chorros de la segunda hilera Z2 se obtiene de la siguiente manera.



(16)



El área total cubierta por los chorros de la primera y segunda hilera Ac



(17)





Porcentaje de la sección de la tubería de ingreso cubierta por los chorros del inyector Ptc

(18)





Caudal del Coagulante qc

(19)





Pérdida de carga a la salida de los orificios del inyector ho

(20)

Donde:


g= 9.8m/s2 aceleración de la gravedad

K= 1 coeficiente de pérdida de carga de los orificios







Gradiente de velocidad Gc

(21)

Donde:


ν= 1.0105(10)-4 Kg.s/m2 viscosidad del agua @ 20ºC

Vcm= volumen de la zona de mezcla

ρ= densidad del agua 1000Kg/m3

(22)









Tiempo de Mezcla Tm

(23)





Floculación

La floculación se realizará con una mezcla de los dos procesos hidráulicos de pantallas, de flujo vertical y el horizontal, lo que resulta en una floculación más eficiente y en menos espacio que si se usará solo uno de ellos. Las dimensiones del floculador al igual que el resto de los equipos de la planta están limitadas por el espacio requerido, esto sin dejar de lado requerimientos técnicos para que cumpla con el resultado esperado.

Las dimensiones y la distribución de las placas esta dado por el diseño de forma y el tamaño requerido de la planta, los mismos que se detallan en el anexo de los planos.

Criterios para el diseño del floculador


  • El espaciamiento entre el extremo de la pantalla y la pared del tanque (av) es decir, el paso de un canal a otro se deberá hacer igual a 1,5 veces el espaciamiento entre pantallas o ancho del canal (ep).

  • Las pantallas deben cruzarse entre sí como mínimo 1/3 del ancho de la unidad floculadora, esto es para que no exista cruces de agua.

  • El gradiente de velocidad que da buenos resultados al proceso normalmente varía entre 70 y 20 s-1.

Verificación del gradiente de velocidad

(24)

= 3115 @ 20ºC

= pérdida total de carga (m)

= tiempo de retención (s)

Pérdida total de carga hf

(25)

h1= pérdidas debidas a la fricción en los canales

h2= pérdidas debidas a los cambios de dirección en las vueltas

(26)

(27)

= Nv x Bf longitud de los canales

n= 0.01 (acero) coeficiente de rugosidad de Manning



= velocidad de flujo en los canales formados por las pantallas

= radio hidráulico

K= 2 coeficiente de pérdida de carga en las vueltas

g= 980 cm/s2 aceleración de la gravedad

Nv= 10 número de vueltas o pasos entre canales

av= 37.5mm (0.0375m) ancho de la vuelta (1.5ep)

Bf= 110mm (11cm) ancho de la unidad floculadora

Cp= 36.6mm (1/3 Bf) distancia que traslapan las pantallas

Velocidad de los flóculos en los canales Vflo

(28)

Q= 2.083 m3/h (5.78x10-4m3/s) caudal de la planta

Asc= área de la sección transversal de canal

ep= 25mm (0.025m) espacio entre pantallas o ancho del canal

Hc= 595mm (0.595m) altura del canal

(29)









Tiempo de retención Tr

(30)











Radio Hidráulico Rh

(31)



Reemplazando en la ecuación de h1 y h2 se tiene:















Gradiente de velocidad G

Reemplazando los valores obtenido en la ecuación (24), se tiene:







2.5.2. Desinfección

Para la desinfección se usa hipoclorito de sodio (NaOCl) al 10 por ciento, llamado comúnmente cloro.

La bomba dosificadora del desinfectante tiene las mismas características que la usada para el coagulante.

Dosificación del Desinfectante

Caudal de la Solución de NaOCl

El hidróxido de sodio comercialmente se lo encuentra en estado líquido o sólido. Se lo diluye al 10%, lo que quiere decir que en un litro de solución hay 100 gramos de desinfectante.



(2)

Donde:


QD= caudal a dosificar en l/h

Solución= 100g/l

Dosis= 1mg/l (1gr/m3)

Q= caudal de agua a tratar, en 50m3/día (2.08m3/h)







Calibración del dosificador para obtener el caudal deseado de NaOCl

La capacidad de bomba dosificadora es de 6 litros por hora a una presión de 7 Bar. Por lo tanto se diluye aún más la solución de NaOCl con agua destilada a razón de 1 litro de solución en 100 litros de agua, obteniendo una nueva solución de trabajo ST.



(3)





Caudal de trabajo de la bomba dosificadora QT

(4)

Donde:


QT= caudal de trabajo de la bomba dosificadora bajo la nueva Solución ST.

QD= caudal a dosificar en l/h







Ajuste de la Relación de Frecuencia %f

(5)

Donde:


QN= caudal nominal de la bomba dosificadora 6 l/h



Con una carrera del 100%, la regulación de frecuencia en la bomba dosificadora del desinfectante debe ser del 35%.



Aireación

La aireación es un proceso opcional, el mismo que será de gran ayuda cuando la fuente de agua sea de pozos, que dicha fuente contiene comúnmente hierro y manganeso.

Como se busca que este diseño sea lo más compacto se utilizará la aeración por aire difuso, mediante el uso de un Blower.

2.5.3. Sedimentación

Diseño del Sedimentador

El sedimentador será de placas planas inclinadas el cual es más eficiente y tiene una mayor área de sedimentación en comparación con el espacio que ocupan los sedimentadores convencionales.

El principal dato que permitirá dimensionar el sedimentador es la carga superficial, este dato se obtiene de realizar una prueba de jarras en una sola jarra con el Policloruro de Aluminio y la dosis óptima (15mg/l) obtenida anteriormente. En un tiempo t a una profundidad h bajo la superficie del agua dentro de la jarra, no debe contener partículas que tengan una velocidad de sedimentación superior a h/t.

Para obtener la tabla 16 se procedió a tomar muestras a la altura de 6 centímetros bajo el nivel del agua de la jarra en diferentes tiempos desde que inicia el tiempo de reposo. Se obtiene la turbidez y la velocidad de decantación o sedimentación. La carga superficial es igual a la velocidad de sedimentación transformando las unidades de m3/m2/día a cm/s.



TABLA 16

CARGA SUPERFICIAL

TIEMPO

(s)

VELOCIDAD DE

SEDIMENTACIÓN

(cm/s)

CARGA SUPERFICIAL

REAL

(m3/m2/día)

TURBIDEZ

(NTU)

0

0.00

0.00

48.6

95

0.063

54.43

6.0

120

0.050

43.20

4.0

240

0.025

21.60

3.5

360

0.017

14.70

3.0

480

0.012

10.37

2.8

600

0.018

8.64

2.7

720

0.008

7.00

2.6

840

0.007

6.00

2.5

960

0.006

5.00

2.4

1080

0.005

4.50

2.3

1200

0.004

4.00

2.2

Se toma como base para el dimensionamiento del sedimentador la carga superficial de mayor valor 54,43 m3/m2/día, ya que en un menor tiempo de reposo se obtiene una reducción significativa de la turbidez, la cual al aumentar el tiempo de reposo no varía mayormente, además se encuentra muy cerca del valor de recomendado por la norma INEN 1108 (5NTU).

Criterios para el Diseño del Sedimentador

  • Número de Reynolds menor a 500.

  • El ángulo de inclinación de las placas 60 grados.

  • Separación de las placas puede variar entre 2 a 10 cm.

  • Altura vertical de las placas entre 0.5 y 0.8 m.

  • Se usará un factor de seguridad c de 1.25

  • La velocidad media del flujo Vo se debe encontrar entre 10 a 25 cm/min.

Datos:

Q= 50m3/día = 578.7cm3/s

ν= 1.0105 (10)-2cm2/s @ 20ºC (viscosidad cinemática)

Vs= 0.063cm/s obtenida de prueba de jarras

θ= 60º ángulo de inclinación de las placas

FS= 1.25 factor de seguridad

b= 59cm ancho de la placa

lp= 59cm longitud de la placa

e’= 8cm espaciamiento horizontal entre una placa y otra.

e= 0.1cm espesor de la placa

S= 1 módulo de eficiencia del sedimentador de placas inclinadas (ver tabla 17)



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