FLOCULACIÓN

AGLOMERACIÓN DE PARTÍCULAS COAGULADASEN PARTÍCULAS FLOCULENTAS O FLOCS

PROCESO DE MEZCLA LENTA PARAINCREMENTAR LA TASA DE ENCUENTROS OCOLISIONES ENTRE PARTÍCULAS Y PROMOVER SUAGLOMERACIÓN, AUMENTAR SU TAMAÑO YDENSIDAD

ES FUNCIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA, DE LACAPACIDAD DE INTERCAMBIO, DEL TAMAÑO DELFLOC, DE LA CONCENTRACIÓN DE FLOCS, DELpH, DE LA TEMPERATURA, DE LACONCENTRACIÓN DE ELECTROLITOS, DELGRADO 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

UN ELEMENTO DE FLUIDO SOMETIDO A MEZCLA LENTA, ESTÁEXPUESTO A UN ESFUERZO CORTANTE τ ENTRE LAS LÁMINASDE FLUIDO DE ÁREA ΔXΔZ, SEPARADAS UNA DISTANCIA ΔY, YCON UNA DIFERENCIA DE VELOCIDAD dv.

VOLUMEN

DESPLAZADO

VELOCIDAD

Y

τ V

Z

X

ΔZ

ΔY

V+dv

ΔX

• LA POTENCIA DISIPADA EN LA MEZCLA ESTÁ DADAPOR:

P = F.v = τ ΔX ΔZ (dv/dy) Δy

• LA POTENCIA CONSUMIDA POR UNIDAD DEVOLUMEN DE FLUIDO SERÁ:

• SEGÚN LA LEY DE NEWTON DE LA VISCOSIDAD:

dv

dy

(4.9)

(4.7)

/4.8

X Y Z dv dyP dv

V X Y Z dy

2PG

V

PG

V (4.13)

POR DEFINICIÓN:(4.11)

dvG

dy

(4.10)2

P dv

V dy

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

3.2P

GV

G = GRADIENTE DE VELOCIDAD, s-1

P = POTENCIA REQUERIDA, W

μ = VISCOSIDAD, Ns / m2, kg / ms, Pa.s

V = VOLUMEN DEL TANQUE, m3

DISEÑO DE FLOCULADORES HIDRÁULICOS

gHG

t

gHG

t

HG

t

PARÁMETRO VALOR REFERENCIA

Gradiente de Velocidad,

s-1

5-100 AWWA

10 - 100 Arboleda

20 - 70 RAS 2000

20 - 100 Smethurst

Número de Camp20.000 - 150.000 Smethurst

30.000 - 150.000 AWWA

Tiempo de retención,

min.

10 - 60 Smethurst, AWWA

10 - 90 Fair

15 - 20 Arboleda

15 - 60 Insfopal

20 - 30 RAS 2000

20 - 50 Hardenbergh

Velocidad de flujo, m/s

0,09 – 0,30 AWWA

0,10 – 0,60 Arboleda

0,10 – 0,90 Fair

0,15 – 0,45 Insfopal - Hardenbergh

0,15 – 0,50 Smethurst

0,20 – 0,60 RAS 2000

Pérdida de energía, m0,15 – 0,60 Smethurst

0,30 – 0,90 Fair

Altura, m>0,9 Insfopal - Hardenbergh

2 - 5 m RAS 2000 para flujo vertical

DISEÑO DE FLOCULADORES HIDRÁULICOS

FLOCULADOR HIDRÁULICO

DE FLUJO HORIZONTAL

Entrada afluente

PLANTA

V1

V2

L

B

Bafles o tabiques

Entrada afluente

CORTE LO

Pérdida de

carga

Bafles o tabiques

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:

g

VKhv

2

2

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:

34

22

R

LnVh f

V: velocidad media en el tramo recto, m/s

n: coeficiente de rugosidad de Manning

R: radio hidráulico, m

L: longitud de canal, m

g

Vnhv

2*22,3*

2

mhv 90,06,19

265,0*22,3*78

2

EJEMPLO de un floculador hidráulico de flujo horizontal:• Período de retención: 20 minutos

•Volumen : 24 m3

•Longitud de la cámara: 12,9 m

•Ancho de la cámara: 3,85 m

• Profundidad del agua: 0,50 m

•Volumen provisto: 24,8 m3

•Separación entre bafles: 0,15 m

•Espesor de pantallas: 0,014 m (lámina de 14 mm quintuplex)

•Velocidad del agua 0,265 m/s

•Número de bafles: 78

•Longitud total del canales: 300,3 m

•Pérdida de carga en las curvas:

Área mojada: 0,0755 m2

Perímetro mojado: 1,15 m

Radio hidráulico: 0,0655 m

Pérdida de carga por fricción, según Manning:

mLRH

nVLSh f 32,03,300*

0655,0

020,0*265,0*

**

2

32

2

32

Pérdida de carga en el floculador: 1,22 m

Gradiente velocidad )º10(1031,1, 6 Cxt

ghG

1

687

200.11031,1

22,18,9

s

xx

xG

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:

N: Número de pantallas

μ: Viscosidad dinámica, Pa.s, kg/m.s

T: Tiempo de retención, s

ρ : Densidad del agua, kg/m3

f: Coeficiente de fricción

H: Profundidad de flujo, m

L: Longitud del floculador, m

G: Gradiente de velocidad, s-1

Q: Caudal, m3/s

132

2 t HLGN

1,44 f Q

En la primera sección del floculador, para

G= 50 s-1:

N= 22 pantallas

13232 1,14 10 7 60 1 10 50 86.400

N1.000 1,44 0,3 10.000

5. La distancia entre pantallas

será:

e=10/22=0.45 m

El valor anterior es el valor mínimo

recomendado, generalmente, para

separación entre pantallas.

6. La pérdida de energía, en la primerasección del floculador, se calcula por laecuación 4 – 17:

2

23

tGh

g

1,14 10 7 60 50h

1.000 9,8

h 0,12m

7. La velocidad de flujo será:

El valor anterior es aceptable, generalmenteoscila entre 0,1 y 0,3 m/s

Q 10.000v

A 86.400 1 0,45

v 0,26m/ 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 delfloculador 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 floculaciónhidráulica, de flujo horizontal, paraun 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 x10-3 Pa.s

Las pantallas son de madera con uncoeficiente de rugosidad de Manningde 0,013.

La longitud del floculador debe serigual 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

mh

R

Lnvh

f

f

03,0)077,0(

27015,0013,0

34

34

2

2

SOLUCIÓN

VELOCIDAD DE FLUJO PARA ORIFICIOS

DE 0,375m DE ALTURA

mh

g

vNNvh

CURVASLASENPERDIDA

smA

Qv

30,08,92

1,017915,0180

2

1

/10,0375,04,0

015,0

22

2

2

2

1

2

SOLUCIÓN

PERDIDA EN EL FLOCULADOR

H=hf+ h =0,33m

mL

FLOCULADORDELLONGITUD

Gt

st

HG

19,501,01925,020

000.72603040

4060301014,1

33,09800 1

3

PLANTA

5.19 m

0.25 m e= 0.01 m = Espesor de tabiques

0.4 m

e= 0.05 m =

Espesor de muros

Afluente ٱ s

ٱ

ٱ

ٱ

ٱ

ٱ

ٱ

s

ss

s

s

s

9 filas de 20 canales = 180 canales

FLOCULADOR

ALABAMA

Figura 4.15 Floculador tipo Alabama

Figura 4.16 Esquema de floculador tipo Alabama