Mi Diseño Plantas de Tratamientos
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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