Diseño Plantas de tratamientos

DISEÑOS DE FLOCULADORES TIPO ALABAMA Y CANELATA PARSHALL. presentado a: ing. ÁLVARO CASTILLO MIRANDA

YAMILE ESCORCIA FUENTES MARIA NELA HERNANDEZ PAVA13/09/2013

Introducción

El presente proyecto contempla la construcción de una planta de tratamiento, la cual, cuenta con un mezclador hidráulico tipo canaleta parshall, 4 floculadores tipo Alabama (consiste en una serie de mínimo 8 cámaras en las que el agua entra a cada una mediante unos codos que impulsan el fluido hacia arriba, colocados alternadamente).

MEZCLA RAPIDA

Figura Canaleta parshall

Para el mezclado del coagulante y auxiliares de la coagulación pueden emplearse los siguientes dispositivos:

Diseño Canaleta Parshall

PARAMETROS DE DISEÑOREGLAMENTO TECNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y

SANEAMIENTO BASICO RAS-2000Velocidad mínima en la garanta ¿2 m /sVelocidad mínima del efluente ¿0,75 m /sNumero de Froude| 1,7 ≤ N f ≤ 2,5o´ 4,5≤ N f ≤ 9,0

La relación H a

w , donde Ha es la altura

del agua y w es el ancho de la canaleta

0,4 ≤H a

w≤ 0,88

Caudal de Diseño

El caudal de diseño es de Q=0,416 m3/ s

Selección Canaleta Parshall

Para el caudal especificado anteriormente es recomendable una garganta de 2‘, cuyo dimensionamiento se relaciona a continuación (Anexo, Tabla de cálculo formato Excel):

Tabla 2. Dimensiones de Canaleta Parshall

W= 2’Ft In Cm

w 2 4 60,96A 3,3 40 101,6B 4,9 58,9 149,5C 3,0 36,0 91,4D 4,0 47,5 120,6E 3,0 36,0 91,4F 2,0 24,0 61G 3,1 37,0 94,1K 0,2 3,0 7,6N 0,8 9,0 22,9

Figura 3. Esquema de la canaleta parshall.

Dónde:

W: Ancho de la garganta de la canaletaA: Longitud de la pared lateral de la sección convergenteB: Longitud axial de la sección convergenteC: Ancho de la salidaD: Ancho de la entrada de la sección convergenteE: Profundidad de la canaletaF: Longitud de la gargantaG: Longitud de la sección divergenteK: Deferencia de nivel entre el punto más bajo de la canaleta y la crestaM: Longitud del punto de aproximaciónN: Profundidad de la depresión de la garganta debajo de la cresta

Diseño hidráulico de la canaleta

Datos Básicos

Q=0,416 m3

s

W =2,0 ft=0 ,61 m

Condiciones hidráulica de entrada

Altura de calibración

Q=k (h¿¿ a)n¿

Dónde:

Q: Caudal de diseñok y n: Parámetro dados por el tipo de canalha: Altura de calibración

0,416=1,428 (ha )1,550

ha=(0,29136 )1

1,550

ha=0,451 m

Cheque de parámetro RAS 2000.

ha

W=0,453

0,61=0,74

0,4 ≤ha

W≤ 0,8 De acorde a los parámetros establecidos

Ancho de la canaleta en la sección media

D ´=2 ( D−W )3

+W

Dónde:

D´: Ancho de la canaleta en la sección de controlD: Dimensiones estándar canal seleccionadoW: Ancho de la garganta de la canaleta

D ´=2 (1,206−0,61 )3

+0,61

D ´=1,007 m

Velocidad de la sección

V a=Q

D ´∗ha

Dónde:

Va: Velocidad en la sección de control

V a=0,416 m3/s

1,007 m∗0,451m

V a=0,915 m /s

Energía especifica de la sección

Ea=V a

2 g+ha+N

Dónde:

Ea: Energía especificaVa: Velocidad en la sección de controlHa: Altura de calibraciónG: Gravedad (9,81 m/s^2N: Dimensiones estándar canal seleccionado

Ea=0,912 m/ s19,62 m /s2 +0,451 m+0,229 m

Ea=0,727 m

Condiciones de la garganta

Velocidad en la sección del resalto

(V 1 )3−2g V 1 Ea=−2 Qg

W

Dónde:

V1: Velocidad en la sección del resaltoEa: Energía especificaQ: Caudal de diseñoW: Dimensiones estándar canal seleccionadog: Gravedad (9,81 m/s^2)

(V 1 )3−14,28V 1=−13,38

Calculando las raíces buscamos la raíz mayor de donde:

V 1=3,17 m / s

Chequeo de parámetro RAS 2000

V 1 ≥2,0 m /s

De acorde a los parámetros establecidos

Altura en la sección del resalto

h1=Q

V 1∗W

Dónde:

h1: Altura en la sección de la gargantaQ: Caudal de diseñoV1: Velocidad en la sección del resaltoW: Dimensiones estándar canal seleccionado

h1=0,416 m3/s

3,17 m /s∗0,61m

h1=0,215 m

Numero de Froude

N f =V 1

√gh1

Dónde:

Nf: Numero de froudeV1: Velocidad en la sección del resaltoG: Gravedad (9,81 m/s^2)h1: Altura en la sección de la garganta

N f =3,17 m /s

√(9,81 ms2 )∗(0,216 m )

N f =2,181

Chequeo de parámetro RAS 2000.

1,7 ≤ N f ≤ 2,5Ò 4,5 ≤ N f ≤ 9,0

Acorde a los parámetros establecidos

Altura después del resalto hidráulico

h2

h1=0,5∗(√1+8 N f

2−1)

Dónde:

h2: Altura en la sección del resalto hidráulicoh1: Altura en la sección de la gargantaNf: Numero de froude

Despejando h2

h2=0,5∗h1∗(√1+8 N f2−1)

h2=0,5∗(0,215 m)∗(√(1+8∗2,1812)−1 )

h2=0,6641m

Sumergencia

S=h2−N

ha

Dónde:

S: Sumergenciah2: Altura en la sección del resalto hidráulicoha: Altura de calibración

S=0,6641 m−0,229m0,451 m

S=0,964 m

Perdidas longitudinales

h f=ha+N−h2

Dónde:

hf: Perdidas longitudinalesha: Altura de calibraciónN: Dimensiones estándar canal seleccionadoh2: Altura en la sección del resalto hidráulico

h f=0,451m+0,229 m−0 , 6641 m

h f=0,016 m

Velocidad de salida de la canaleta

v2= Qh2∗C

v2= 0,416m3/s0,6641 m∗0,914 m

v2=0,685 m/ s

Tabla anexa donde se encuentran canaletas con W = 1,5 y W = 2 pies, y resaltada en azul la canaleta seleccionada para la planta, la cual, reúne la mayoría de las condiciones establecidas por el RAS-2000

Nota: estas son las canaletas que reúnen al menos una de las condiciones establecidas por el RAS 2000

Tabla 4. Canaletas parshallW n k D N ha ha/W ha/W D´ Va Ea V1 h1 Nf Nf h2 s hf V2

pie(') m cm cm m m cumple m m/s M m/s m cumple m m m m/s

1,5 0,457 45,7 1,538 1,06 102,6 0,229 0,546 1,19 no 0,836 0,911 0,8212 3,5 0,26 2,192 cumple 0,8058 1,05

7-

0,031 0,565

2 0,61 61 1,55 1,43 120,6 0,229 0,451 0,74 si 1,007 0,915 0,7269 3,17 0,215

3 2,181 cumple 0,6641 0,964 0,016 0,685

3 0,914 91,4 1,566 2,18 157,2 0,229 0,347 0,38 no 1,353 0,887 0,621 3,04 0,149

7 2,509 no cumple 0,531 0,871 0,045 0,857

Dosificador en seco

Dicho dosificador será escogido del modelo más conveniente y de ahí caerá en un tanque con agua para luego mezclarlo y generar la concentración adecuada y posteriormente se colocará encima de donde se genera el resalto en la canaleta parshall con una flauta. El coagulante a utilizar será sulfato de aluminio.

Datos de entrada:

Dosis=30 mg/lQ=416l/s

cantidad=Q∗dosis

cantidad=416 l /s∗30mg / l

cantidad=12480 mg / s

cantidad=749 gmin

Diseño de floculadores Alabama

Floculador Alabama

Diseño floculador Alabama.

PARAMETRO DE DISEÑOREGLAENTO TECNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y

SANEAMIENTO BASICO RAS-2000

Numero de cámaras Mínimo 8TRH ( Tiempo de retención Hidráulica ) 20 min > 40 minNumero de floculadores Mínimo 2Velocidad en el codo 0,2 m/s < v < 0,4 m/s.Gradiente de velocidad 20 s -1<G<70 s -1

Descripción generalCaudal de diseño: 416 l/s 44 cámaras de hormigón intercomunicadas por codos en PVC. Tiempo de Retención Hidráulica en cada floculador es de 40 minutos.El Número de floculadores son 4.Tiempo de retención por cámara: 40min/11camaras = 3,63 min=217,8sVelocidad en el codo = 0,4 m/s

• Caudal de cada floculador

Qf =Q p

numerode floculadores

Dónde:

Qp: caudal de la plantaQf: caudal del floculador

Qf =416 l

s4

Qf =104 l / s

Capacidad de la cámara

Vc=Qf∗tRH

Dónde:

Vc: volumen de la cámaratRH: tiempo de retención hidráulica

Vc=0,104 m3/s∗217,8 s

Vc=22,65 m3

Dimensionamiento de la cámara

Vc=B∗L∗H

Dónde: B: ancho de la cámara L: Largo de la cámaraH: altura de cámaras= 3m (asumido)

Para una cámara cuadrada tenemos que:

Vc=B2∗H

B=√ VcH

B=√ 22,65 m3

3m=2,74 m

B ≈ 2,8 m

altura real de la lámina de agua

Área superficial (As)

As=2,8∗2,8 m=7,84 m2

H=VcAs

H=22,65 m3

7,84 m2

H=2,89m

Dimensiones de las Camaras

B 2,8mL 2,8m

H 3m

• Calculo del diámetro del codo

Ac=QfVc

Dc=√ 4 Acπ

Dónde:

Ac: área del codoVc: velocidad en el codoQf: caudal en el floculador Dc: diámetro del codo

Ac=0,104 m3/ s0,4 m /s

=0,26 m2

Dc=√ 4∗0,26 m2

π

Dc=0,58 m=22,83∈¿

Dc ≈ 24∈¿= 0,6096 m

Comprobación de velocidad en el codo

Ac=π∗(0.6096 m)2

4=0.29 m2

V C=Q f

Ac=

0.104 m3

s0.29 m2 =0.358 m

s

Perdidas de energía en el codo

Entrada

h1 f

¿( Q f

Cd∗Ao)

2

∗1

2 g

Dónde:

h1 f :Perdida de cargaAo :Área del tubo= 0,29 m2Cd :Coeficiente de descarga= 0,6-0,65, se asume 0,65

Qf :Caudal de la Cámara=0,104m3

s

g=¿9,81 m/s2 h1 f =¿

En el codo

h2 f =k v2

2g

Dónde:

h2 f :Pérdidas de Carga.K: coeficiente de perdidas menores=0.9v2:Velocidad real en el codo= 0,358 m/s

h2 f =0,9∗(0,358 m /s )2

2(9,81 m /s 2)=0,00587 m

Salida

h3 f=( Q f

Cd∗Ao)

2

∗1

2 g

Dónde:

h1 f :Perdida de cargaAo :Área del tubo= 0,29 m2Cd :Coeficiente de descarga= 0,8

Qf :Caudal de la Cámara=0,104m3

s

g=¿9,81 m/s

h3 f=( 0,104 m3

s0.8∗0,29 m2 )

2

∗1

2(9,81 ms )

=0,01024 m

Pérdidas totales

htotal=h1 f +h2 f +h3 f

Dónde:

htotal: Perdida de carga totales

htotal=0,01551+0,00587+0,01024

htotal=0,03162m

Chequeo de los gradientes de velocidad:

G=√ g∗htotal

v∗tRHdebe estar 20s−1 ≤G ≤70 s−1(RAS 2000)

Dónde:

v: Viscosidad cinemática= 1,01×10^(-6)G: Gradiente de velocidad htotal: Perdidas de energía totales=0,03162mtrh: Tiempo de retención hidráulica en cada cámara=199,8sg=9,81 m/s

G=√ 9,81 ms

∗0,03162 m

1,014 ×10−6∗217,8 s

G=37,47 s−1

Debido a que el gradiente de velocidad es de 39,12 s-1 con un diámetro de 24” (éste se encuentra dentro del rango establecido por el RAS) se considera como un gradiente alto, en caso de que se necesite un gradiente de velocidad más bajo no habría forma de bajarlo, por lo tanto se asumirá un diámetro de 30” para que las pérdidas se reduzcan y así obtener un gradiente de velocidad bajo.

Dc=30∈¿0,762m

Comprobación de velocidad

Ac=π∗(0,762 m)2

4=0,456 m2

vc= 0,104/ s0,456 m2 =0,22 m

s

0,2<0,22 ms

<0,4

Calculo de las pérdidas de energía

Perdidas en la entrada y salida del codo

h1,3 f=( Q

Cd∗Ao )2

∗1

2 g

Perdidas en el codo

h2 f =k v2 g

2

Perdidas en la entrada

h1 f =( 0,104 m3/ s0,60∗0,456 m2 )

2

∗1

2∗9,81m /s2

h1 f =0,00627 m

Perdidas en el codo

h2 f =0,9∗ (0,22 m /s )2∗9,81 m /s2

2

h2 f =0,00222 m

Perdidas en la salida

h3 f=( 0,104 m3 /s0,8∗0,456 m2 )

2

∗1

2∗9,81m / s2

h f 3=0,00414 m

Pérdidas totales

htf =h1 f +h2 f +h3 f

htf =0,00627+0,00222+0,00414

htf =0,01263 m

Calculo del gradiente de velocidad

G=√ hf∗gv∗tc

G=√ 0,01263 m∗9,81 m /s2

1,014 x10−6m2/s∗217,8 s

G=23,68 s−1

El gradiente nos cumple, pero utilizaremos platinas en la salida de los codos, hecho que incrementaría las perdidas en la salida y por ende el gradiente aumentará, esto, para cuando la turbiedad del agua varíe y se necesite un mayor gradiente de velocidad. A continuación se presentan los gradientes debidos a las platinas que se utilicen.

Tabla 5. Platinas. Cambio de gradientes de velocidad para 104 l/sDiámetro platina área Velocidad hf1 hf2 hf3 htotal G

in m m2 m/s M m m s-128 0,711 0,397 0,261 0,0082 0,0031 0,0054 0,0167 27,2324 0,610 0,292 0,35 0,0082 0,0031 0,0101 0,0214 30,8320 0,508 0,203 0,51 0,0082 0,0031 0,0209 0,0322 37,8118 0,457 0,164 0,63 0,0082 0,0031 0,032 0,0433 43,8516 0,406 0,130 0,8 0,0082 0,0031 0,0509 0,0622 52,5614 0,350 0,096 1,08 0,0082 0,0031 0,0934 0,1047 68,19

Altura del codo en la cámara

Hc=23

H

Dónde:

Hc: altura del codo en la cámaraH: altura de la cámara

Hc=23

(2,89 m)

Hc=1,92m

Pendiente del floculador

Gradiente medio

Gm=Gmin+Gmax

2

Dónde:

Gm: gradiente medioGmin: gradiente mínimoGmax: gradiente máximo

Gmin=23,68 s−1

Gmax=68,19 s−1

Gm=23,68 s−1+68,19 s−1

2

Gm=45,93 s−1

Despejando hf de:

G=√ hfc∗gϑ∗tc

hfc=ϑ∗t∗G2

g

hfc=1,014 x10−6m2/s∗217,8 s∗¿¿

hfc=0,0474 m

Calculo de la diferencia de altura

∆ H=nc∗hfc

Dónde:

Sf: pendiente del floculadornc: número de cámarashfc: perdidas en la cámaraΔH: diferencia de altura entre la primera y la última cámaraL: longitud del floculadorL=(2,8*11)+(0,2*11)= 33 m

∆ H=11∗0,0474 m=0,5214 m

sf=∆ HL

∗100

sf=0,5214 m33m

∗100

sf =1,58 %

Diseño de la válvula de salida para el lavado de los floculadores

Diámetro de la válvula de salida

Se asume un tiempo de 60 minutos para que los floculadores se desocupen totalmente

t=60 min ¿1 h

S= As∗√h4850∗t

Dónde:

S: área total de los orificios (m2)As: área superficial del floculador h: altura de la lámina de agua en el floculador (m)t: tiempo de evacuación del agua (h)

h=2,89 mAs=2,8∗2,8∗11=86,24 m2

S= As∗√h4850∗t

S=86,24 m2∗√2,89 m4850∗1h

S=0,0302m 2

Dvalvula=√ 4∗0,0302 m2π

Dvalvula=0,19 m=7,48 pulgadas

Dvalvula=8 pulgadas

Recalculando el tiempo de vaciado de los floculadores con el diámetro comercial

A=π∗0,20322

4

A=0,0324 m2

t=86,24 m2∗√2,89 m4850∗0,0324 m2

t=0,93 h=55,8 min

ANEXOS

FLOCULADORES

Válvula de lavado

Vista inferior floculadores

Bibliografía

reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico, RAS – 2000; SECCION II, TITULO C.

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/palmira/5000117/contenido/cap5/ lec5_5.htm

SEDIMENTADORDE ALTA TASA

PARAMETROS DE DISEÑO REGLAMENTO TECNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BASICO RAS - 2000

Tiempo de retención 10 min ≤Tr≤ 15 minProfundidad 4 m ≤ h ≤ 5.5mCarga superficial para placas angostas 120 m3/(m2.día) C. H.S. ≤ 185 m3/(m2.día)Carga superficial para placas profundas 200 m3/(m2.día) C. H.S. ≤ 300 m3/(m2.día)Número de Reynolds (Re) Re ≤ 500 (se recomienda uno menor de 250)inclinación de las placas 55° ≤ Ө ≤ 60°espacio entre las placas 5 cmespesor de la placa 8mm ≤ e ≤ 10 mmNúmero de unidades mínimo 2Sistema de salida tuberías perforadas o canaletas que trabajen con un tirante de agua no inferior a 8 cm

DESCRIPCION GENERAL

Numero de sedimentadores: 3Caudal de diseño: 416 l/sPlacas profundas

Zona de sedimentación

se asumirá una C.H.S. de 220 m3/(m2-dia)

Ancho de los floculadores

4 floc∗2,8 m=11.2 m

4 muros∗0,2 m=0,8 m

1 muro∗0,3 m=0,3 m

ancho total=11,2 m+1,1m=12,3 m

Para los sedimentadores se supone un ancho interno de 3.5 m con 4 muros de 0,45 m de espesor para un total de 12,2 m.

CHS=QsAs

Dónde:

CHS: carga hidráulica superficial (m3/(m2-dia))Qs: es el caudal del sedimentador (m3/día)As: área superficial (m2)

Qs=0,416 m3/s3

Qs=0,138667 m3 /s∗86400 s1 dia

Qs=11981 m3/dia

As= QsCHS

As= 11981m3/dia210 m3/(m¿¿2−dia)¿

As=57,05 m2

As=B∗L

Dónde:

B: ancho del sedimentador L: largo del sedimentador

L=57,05 m2

3,5 m

L=16,3 m ≈16 m

Comprobando CHS:

CHS=11980,8m3/dia16 m∗3,5 m

CHS=214 m3/(m¿¿2−dia)¿

200<CHS<300

Calculo de las placas

x=2,4 m∗cos (60 )=1,2m

y=2,4m∗sen(60)=2,1 m

x =5cm+1cmsen (60)

=6,93 cm

long efec=16m−1,2m=14,8 m

¿espacios= longefecx

¿espacios= 14,8 m0,0693 m

=213,56 espacios

¿espacios ≈ 214 espacios

¿ placas=214∗2 filas

¿ placas /sedimentador=428 placas / sedimentador

¿ placastot .=398∗3 sedimentadores

¿ placastot .=1284 placas

Nota: el muro final del sedimentador se deberá hacer con una inclinación de 55º, de manera que, se pueda utilizar como la primera placa y así evitar una zona muerta.

Tiempo de retención entre placas

Vep=QepAep

tR= long placaVep

Dónde:

Vep: velocidad entre placasQep: caudal entre placasAep: área entre placastR: tiempo de retención

Qep= Qs¿espacios

Qep=0,138667 m3/s214

=6,48 ¿10−4 m3/s

Aep=separacion entre placas∗B

Aep=0,05 m∗3,6 m=0,18 m2

Vep=6,48¿10−4 m3/s0,18 m2 =3,60¿10−3m /s

Vep=

3,60 ¿10−3 ms

∗60 s

1 min=0,216 m /min

tR= 2,4 m0,216 m /min

tR=11,11 min

Tiempo de retención 10 < tR < 15 min

Numero de Reynolds

NR= e∗Vep2∗ϑ

Dónde:

NR: número de Reynolds e: separación entre placas (0,05m)v: viscosidad cinemática (1,014x10-6 m2/s)

NR= 0,05m∗3,6¿10−3 m /s2∗(1,014∗10−6 m2 /s)

NR=89<500

Numero de Reynolds (NR) debe ser menor que 500, se recomienda 250

Dispositivo de agua floculada

Longitud efectiva = 14,8 m

Separación de centro a centro de los orificios = 0,5 m

¿orificios= long. efectivaseparacion entre orificios

¿orificios /cara=14,8 m0,5m

¿orificios /cara=29,6 orificios /cara≈ 30 orificios /cara

¿orificios=2caras∗30

¿orificios=60orificios

Qo= Qs¿orificios

Dónde:

Qo: caudal del orificio

Qo= 0,139m3/s60 orificios

Qo=2,316¿10−3m3/s

Se asume un diámetro de orificio de 8 pulgadas

16”=0,4064 m

RH= Do4

Ao=π ¿ Do2

4

Vo= QoCd∗Ao

Dónde:

Do: diámetro del orificioRH: radio hidráulicoAo: área del orificio Vo: velocidad del orificioCd: factor de descarga (0,64)

RH=0,40644

=0,1016 m

Ao=π ¿(0,4064 m)2

4=0,129 m2

Vo=2,316 ¿10−3m3/s0,64∗0,129m2 =0,028 m /s

Gradiente de velocidad en el orificio (G)

G=√ 0,005∗V 3

ϑ∗RH

G=√ 0,04∗(0,028 m /s)3

(1,014∗10−6 m2/s)∗0,1016 m

G=11,1 s−1<22,21 s−1