FLOCULACIÓN HIDRÁULICA

FLOCULACIÓN AGLOMERACIÓN

DE PARTÍCULAS COAGULADAS EN PARTÍCULAS FLOCULENTAS O FLOCS PROCESO DE MEZCLA LENTA PARA INCREMENTAR LA TASA DE ENCUENTROS O COLISIONES ENTRE PARTÍCULAS Y PROMOVER SU AGLOMERACIÓN, AUMENTAR SU TAMAÑO Y DENSIDAD ES FUNCIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA, DE LA CAPACIDAD DE INTERCAMBIO, DEL TAMAÑO DEL FLOC, DE LA CONCENTRACIÓN DE FLOCS, DEL pH, DE LA TEMPERATURA, DE LA CONCENTRACIÓN DE ELECTROLITOS, DEL GRADO 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 VOLUMEN DESPLAZADO Y

V+dv

ΔY

ΔZ

τ

V X

ΔX Z

VELOCIDAD

UN ELEMENTO DE FLUIDO SOMETIDO A MEZCLA LENTA, ESTÁ EXPUESTO A UN ESFUERZO CORTANTE τ ENTRE LAS LÁMINAS DE FLUIDO DE ÁREA ΔXΔZ, SEPARADAS UNA DISTANCIA ΔY, Y CON UNA DIFERENCIA DE VELOCIDAD dv.

• LA POTENCIA DISIPADA EN LA MEZCLA ESTÁ DADA POR: P = F.v = τ ΔX ΔZ (dv/dy) Δy • LA POTENCIA CONSUMIDA VOLUMEN DE FLUIDO SERÁ:

(4.7) POR

P  X Y Z  dv / dy  dv   V X Y Z dy

UNIDAD

DE

 4.8

• SEGÚN LA LEY DE NEWTON DE LA VISCOSIDAD:

 dv      dy 

(4.9)

 POR

(4.11)

 dv  P   V  dy 

2

dv G dy

(4.10)

DEFINICIÓN:

P  G 2 V



G

P V

(4.13)

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

P G V G = GRADIENTE DE VELOCIDAD, s-1 P = POTENCIA REQUERIDA, W

μ = VISCOSIDAD, Ns / m2, kg / ms, Pa.s V = VOLUMEN DEL TANQUE, m3

 3.2

DISEÑO DE FLOCULADORES HIDRÁULICOS

G  G  G 

gH t

 gH t H t

DISEÑO DE FLOCULADORES HIDRÁULICOS PARÁMETRO Gradiente de Velocidad, s-1

Número de Camp

Tiempo de retención, min.

Velocidad de flujo, m/s

Pérdida de energía, m

Altura, m

VALOR 5-100 10 - 100 20 - 70 20 - 100 20.000 - 150.000 30.000 - 150.000 10 - 60 10 - 90 15 - 20 15 - 60 20 - 30 20 - 50 0,09 – 0,30 0,10 – 0,60 0,10 – 0,90 0,15 – 0,45 0,15 – 0,50 0,20 – 0,60 0,15 – 0,60 0,30 – 0,90 >0,9 2-5m

REFERENCIA AWWA Arboleda RAS 2000 Smethurst Smethurst AWWA Smethurst, AWWA Fair Arboleda Insfopal RAS 2000 Hardenbergh AWWA Arboleda Fair Insfopal - Hardenbergh Smethurst RAS 2000 Smethurst Fair Insfopal - Hardenbergh RAS 2000 para flujo vertical

FLOCULADOR HIDRÁULICO DE FLUJO HORIZONTAL

L V2

V1

B

Entrada afluente

PLANTA Bafles o tabiques

Bafles o tabiques

Entrada afluente

Pérdida de carga

CORTE LO 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: 2

V hv  K 2g 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:

hf 

2

2

V n L R

4

3

V:

velocidad media en el tramo recto, m/s

n:

coeficiente de rugosidad de Manning

R:

radio hidráulico, m

L:

longitud de canal, m

EJEMPLO de un floculador hidráulico de flujo horizontal: • Período de retención: •Volumen : •Longitud de la cámara: •Ancho de la cámara: • Profundidad del agua: •Volumen provisto: •Separación entre bafles: •Espesor de pantallas: •Velocidad del agua •Número de bafles: •Longitud total del canales: 300,3 m •Pérdida de carga en las curvas:

20 minutos 24 m3 12,9 m 3,85 m 0,50 m 24,8 m3 0,15 m 0,014 m (lámina de 14 mm quintuplex) 0,265 m/s 78

2

V hv  n * 3,22 * 2g 0,265 2 hv  78 * 3,22 *  0,90 m 19,6

 Área mojada:

0,0755 m2

 Perímetro mojado:

1,15 m

 Radio hidráulico:

0,0655 m

 Pérdida de carga por fricción, según Manning: 2

 0,265 * 0,020   V *n  hf  S * L   *L    * 300,3  0,32 m 2  2  0,0655 3   RH 3  2



 Pérdida de carga en el floculador: 1,22 m  Gradiente velocidad  G

9,8 x1,22  87 s 1 6 1,31x10 x1.200

G

gh , t

  1,31 x 10 6

(10º C )

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:

   HLG  2t  N      1, 44  f Q              

N: μ: T: ρ: f: H: L: G: Q:

Número de pantallas Viscosidad dinámica, Pa.s, kg/m.s Tiempo de retención, s Densidad del agua, kg/m3 Coeficiente de fricción Profundidad de flujo, m Longitud del floculador, m Gradiente de velocidad, s-1 Caudal, m3/s

2

    

1 3



En la primera sección del floculador, para G= 50 s-1:

  2  1,14  103  7  60   1 10  50  86.400  N     10.000    1.000  1,44  0,3   



N= 22 pantallas

2

  

1 3

La distancia entre pantallas será: 5.

e=10/22=0.45 m El valor anterior es el valor mínimo recomendado,

generalmente,

separación entre pantallas.

para

6. La pérdida de energía, en la primera sección del floculador, se calcula por la ecuación 4 – 17:

tG h g

2

1,14  10  7  60  50  h 1.000  9,8 h  0,12m 3

2

7.

La velocidad de flujo será:

Q 10.000 v  A 86.400  1 0,45 v  0,26m / s El valor anterior es aceptable, generalmente oscila entre 0,1 y 0,3 m/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 del floculador 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 floculación hidráulica, de flujo horizontal, para un 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 x 10-3 Pa.s Las pantallas son de madera con un coeficiente de rugosidad de Manning de 0,013. La longitud del floculador debe ser igual 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

 nv  

2

hf

4

L

R3 2  0,013  0,15  270 hf   0,03m 4 (0,077) 3

SOLUCIÓN 

VELOCIDAD DE FLUJO PARA ORIFICIOS DE 0,375m DE ALTURA

Q 0,015 v2    0,10m / s A 0,4  0,375 PERDIDA EN LAS CURVAS Nv   N  1v h 2g 2 1

2 2

1800,15   1790,1 h  0,30m 2  9,8 2

2

SOLUCIÓN 

PERDIDA EN EL FLOCULADOR

H=hf + h =0,33m

H 9800  0,33 1 G   40 s 3 t 1,14  10  30  60 Gt  40  30  60  72.000 LONGITUD DEL FLOCULADOR L  20  0,25  19  0,01  5,19m

PLANTA 0.25 m Afluente

‫ﭑ‬

s

e= 0.01 m = Espesor de tabiques s

‫ﭑ‬

s

s

0.4 m

‫ﭑ‬ ‫ﭑ‬

s

e= 0.05 m =

‫ﭑ‬ s ‫ﭑ‬

s ‫ﭑ‬

5.19 m

9 filas de 20 canales = 180 canales

Espesor de muros

FLOCULADOR ALABAMA

Figura 4.15 Floculador tipo Alabama

Figura 4.16 Esquema de floculador tipo Alabama