TEMA 2:

Equipo de jarras tipo:

Coagulacin con sulfato de aluminio

Al2(SO4)3. 18 H2O - PM = 666

Al2(SO4)3. 14 H2O - PM = 600

(Reacciona con el agua (productos de hidrlisis) y con la alcalinidad.

(Rango de utilizacin: pH entre 5 y 8.(Riqueza (% de Al2O3) - Lquido: 5 a 8

- Slido: ( 17

(Riqueza (% de sulfato de aluminio):

- (PM de Al2O3 = 102)- % de (Al2(SO4)3. 18 H2O) = (% de Al2O3) x

- % de (Al2(SO4)3. 14 H2O) = (% de Al2O3) x

Reacciones simplificadas:

Al2(SO4)3. 18 H2O + 3 Ca (HCO3)2 ( 3 CaSO4 + 2 Al (OH)3 + 6 CO2 + 18 H2O

PM Al (OH)3 78

PM CaCO3 100

PM Ca (HCO3)2 162

PM CaSO4 136

Consumo de alcalinidad:( Alcalinidad expresada en ppm de CaCO3: 3 x 162 x = 300( 1 mg/L de Al2(SO4)3. 18 H2O consume: = 0,45 mg/L de alcalinidad expresada como CaCO3( 1 mg/L de Al2(SO4)3. 14 H2O consume: = 0,50 mg/L de alcalinidad expresada como CaCO3Contenido de sulfato de aluminio en una determinada solucin, conocida su densidad y contenido de xido de aluminio:Si a una solucin se le mide:

Densidad d = kg solucin / L solucin

Porcentaje de Al2O3 p = kg Al2O3 / kg de solucin x 100

(

= kg Al2O3 / L solucin

(

x = kg Al2(SO4)3. 14 H2O / L solucin

Para determinar p se requiere de un anlisis de laboratorio, muchos imposibles de efectuar en una planta potabilizadora. La solucin es medir la densidad de la solucin con un densmetro, y con el uso de tablas estimar el contenido de sulfato de aluminio de la solucin.

Concentracin de la solucin de sulfato de aluminio:Se recomienda entre 1 % y 5 % en el punto de aplicacin.

Coagulacin con sulfato ferroso

Se obtiene como subproducto de procesos qumicos, especialmente del decapado de acero.

FeSO4.7H2O FeSO4.5H2O

Rango de pH para coagulacin: 8,5 a 11

Se utiliza para aguas turbias, y generalmente se aplica previamente cal para que sea ms efectivo.

PM FeSO4.7H2O

278

PM Ca(OH)2

74

Reacciones simplificadas:

FeSO4.7H2O + Ca(OH)2 ( Fe(OH)2 + CaSO4 + 7 H2O

1 mg/L de FeSO4.7H2O reacciona con = 0,266 mg/L de cal hidratada

1 mg/L de FeSO4.7H2O consume = 0,36 mg/L de alcalinidad expresada como CaCO3Coagulacin con Cloruro frrico

FeCl3

PM = 162,5

En forma lquida se presenta en soluciones de densidad ( 1,4 y riqueza de ( 42 % de FeCl3

Reacciones aproximadas:

2 FeCl3 + 3 Ca (HCO3)2 ( 2 Fe (OH)3 + 6 CO2 + 6 Cl- + 3 Ca ++ 1 mg/L de FeCl3 consume = 0,92 mg/L de alcalinidad expresada como CaCO3Alcalinizantes

Cal hidratada Ca(OH)2

PM = 74

Cal viva CaO

PM = 56

Carbonato de sodio (ceniza de soda) Na2CO3 PM = 106

Soda custica NaOH

PM = 40

Cmo afectan la alcalinidad:

1 mg/L de Ca(OH)2 eleva = 1,35 mg/L de CaCO3 la alcalinidad 1 mg/L de Na2CO3 eleva = 0,94 mg/L de CaCO3 la alcalinidad

Aplicacin de soluciones

Para dosificar la solucin del producto qumico se utilizan bombas dosificadoras:

de pistn o diafragma

con motor elctrico o electromagnticas

de regulacin simple (regulacin de velocidad) o doble (regulacin de velocidad y volumen de cada pulsacin)

la bomba debe ser resistente al producto qumico bombeado. Ej: Para bombeo de una solucin que contenga cloro, debe tener anillos de vitn.DENSIDADSULFATO DE ALUMINIO

Al2(SO4)3.18 H2OCLORURO FRRICO

FeCl3SULFATO FERROSO

FeSO4.7H2O

1.0071410.113.1

1.014282026.4

1.021422940.8

1.028573755.5

1.036734770.5

1.044895785.5

1.05110366102

1.05911976116.5

1.06713586132

1.07515296147

1.083168106163

1.091184116179

1.099200126196

1.108218138213

1.116235150230

1.125255162247

1.134274174265

1.143293186284

1.152312198304

1.161332210324

1.170351222344

1.180373236365

1.190395250387

1.200417263408

1.210440279430

1.220462293452

1.230485308474

1.241509323501

1.252534338

1.263558353

1.285609384

1.308663416

1.332720449

1.257483

1.383521

1.411561

1.437601

1.453626

1.468650

Concentracin de algunos coagulantes usados en agua potable (gramos de producto puro por litro de solucin, a 15 C), en funcin de la densidad de la solucin.

MEZCLA RPIDA

Coagulacin por neutralizacin de carga: G > 1.000 s-1 Coagulacin por barrido : G > 500 s-1Dispositivos de mezcla rpidaHidrulicos: - Mezcladores en lnea: placa orificio, etc. Resalto hidrulico con vertederos Canaleta Parshall

Mecnicos:- Cmaras de flujo axial o radial

MEZCLA RPIDA HIDRULICA

Los dispositivos para efectuar la mezcla rpida hidrulica, utilizan la energa hidrulica disipada en forma de prdida de carga, generalmente en una tubera o en un resalto hidrulico.

El gradiente de velocidad en un mezclador hidrulico de cualquier tipo, se puede calcular por la siguiente expresin:

G =

P = ( Q hF = ( g hFG =

T = V/Q ( = ( g

G =

( = Peso especfico del agua (N/m3)

( = Densidad del agua (kg/m3)

( = Viscosidad dinmica del agua (kg/m/s)

( = Viscosidad cinemtica del agua (m2/s)

Q = Caudal (m3/s)

hF = Prdida de carga (m)

Mezcla rpida con placa orificio:La mezcla rpida puede realizarse en una tubera aprovechando el gradiente hidrulico dado por las prdidas de carga por friccin. Generalmente, la energa disipada por friccin no ofrece las condiciones de mezcla suficientes, y se recurre a la instalacin de dispositivos especiales, el ms utilizado es la placa orificio.

La diferencia de presin h que introduce la placa orificio se determina mediante la siguiente expresin:

La prdida de carga es menor que la diferencia h detectada por un medidor de presin diferencial dado que hay recuperacin de carga piezomtrica por disminucin de la velocidad.

La prdida de carga se determina como un porcentaje de h, hF = (%)*h, de acuerdo a lo indicado en la siguiente tabla:

D/d(%)

153,12

1,259,11

1,464,09

1,668,26

1,871,77

274,77

2,277,38

2,479,71

2,681,84

2,883,84

385,74

3,287,57

3,489,33

3,691,00

3,892,54

493,90

Se considera que la energa se disipa en una distancia de 5D a partir de la placa orificio, por lo que el gradiente de velocidad se calcula sobre ese volumen:

Mezcla rpida en resalto hidrulico:Los resaltos producidos en canales rectangulares por cambio de declive, en vertederos y en canaletas Parshall, son muy utilizados como dispositivos de mezcla rpida.

Para que exista resalto es necesario que las profundidades del agua inmediatamente antes y despus del resalto, h1 y h2, satisfagan la siguiente relacin: EQ

U1 y Fr1 son la velocidad y el nmero de Froude correspondientes a la seccin (1), de acuerdo al valor que adquiera Fr1, se tienen los siguientes tipos de resalto:

Fr1 = 1: El flujo es crtico, no se forma resalto. Fr1 = 1,0 a 1,7: Resalto ondulado, la superficie del agua presenta ondulaciones. Fr1 = 1,7 a 2,5: Resalto dbil, se desarrolla una leve turbulencia superficial, baja prdida de energa.

Fr1 = 2,5 a 4,5: Resalto oscilante, el flujo aguas arriba penetra en el frente turbulento del resalto con un chorro oscilante que genera ondas de perodo irregular.

Fr1 = 4,5 a 9,0: Resalto estable o permanente, el resalto es fuerte y de forma estable, libre de ondulaciones irregulares.

Fr1 > 9,0: Resalto fuerte, gran turbulencia y gradualmente encrespado a medida que aumenta Fr1.

El tipo de resalto que da mejores condiciones para la mezcla rpida es el estable (nmero de Froude entre 4,5 y 9,0), y en menor medida el resalto dbil. Los resaltos ondulados y oscilantes no son favorables para la efectividad del proceso.

En el volumen de agua comprendido entre las secciones (1) y (2) de extensin L del resalto, se disipa energa hidrulica en forma de prdida de carga, que se determina por la frmula de Blanger:

Para nmeros de Froude iguales o mayores a 4,5, la longitud L del resalto se determina por la frmula de Smetana:

L = 6 (h2 h1) 6,1 h2Para resalto dbil, con nmeros de Froude entre 1,7 a 2,5, la extensin del resalto se estima por la frmula de Safranez:L = 4,5 h2Conocida la extensin L del resalto se determina el tiempo de retencin del agua en el resalto, considerando las velocidades en las secciones (1) y (2):

U1 = Velocidad en la seccin (1)

U2 = Velocidad en la seccin (2)

El gradiente de velocidad se determina considerando la energa disipada en el resalto de longitud L en el tiempo T.

Resalto en Vertederos Rectangulares:Los vertederos que generalmente se instalan en canales son dispositivos eficientes para la mezcla rpida, y se utilizan tambin para medicin de caudal. Como la prdida de carga en los vertederos es importante, los mismos se utilizan cuando se tiene suficiente carga disponible en las instalaciones.

El diseo ms simple de un vertedero rectangular es aquel en donde la longitud de su umbral es igual al ancho del canal correspondiente, o sea sin la influencia de la contraccin lateral. La lmina vertiente alcanza el piso en la seccin 1, en donde hay una gran prdida de energa debida a la circulacin de la masa de agua, que produce el empuje necesario para cambiar el chorro hacia una direccin horizontal.

La mezcla rpida utiliza la energa remanente que es disipada luego de la cada en el resalto que se forma aguas abajo. Para aprovechar todo el volumen del resalto para la mezcla, el punto de aplicacin del coagulante deber estar sobre la seccin 1, a una distancia Lm del vertedero. Se deber tener especial cuidado en la distribucin transversal del coagulante dimensionando adecuadamente el difusor.

La distancia Lm se calcula por la frmula de Rand (1955):

hc = Altura crtica (m)

q = Q/B es el caudal especfico y B el ancho del vertedero

Segn Di Bernardo (1993) la distancia Lm se calcula como:

siendo H la carga sobre el vertedero (m).La energa remanente de la cada libre genera el resalto hidrulico. La profundidad de la lmina de agua inmediatamente antes del resalto h1, est relacionada con la profundidad crtica hc, por la relacin debida a Moore (1943):

A partir de h1 se calcula h2 mediante la expresin:

Conocidas las alturas h1 y h2 se puede determinar la prdida de carga en el resalto y el tiempo de retencin, lo cual permite calcular el gradiente de velocidad.

La prdida de carga total, corresponde a la diferencia entre el nivel del agua aguas arriba y aguas abajo del vertedero:

P.C. total = P + H h2H se determina por la frmula de Francis para vertederos rectangulares si contracciones:

Q = 1,838 B H(3/2)Resalto en Canaleta Parshall:La canaleta Parshall consiste en un segmento de canal con cambio rpido de pendientes y constriccin en el punto llamado garganta, donde se produce un resalto hidrulico. Normalmente se utiliza con la doble finalidad de medir el caudal afluente y realizar la mezcla rpida.

Las dimensiones estn estandarizadas para cada ancho de garganta W:

Se selecciona un ancho de garganta, y se calcula el tiempo de mezcla y el gradiente hidrulico resultante. Se itera hasta obtener los parmetros de diseo adecuados. La secuencia de clculo para el diseo se describe a continuacin.Altura de agua en la seccin de medicin:

Ancho en la seccin de medicin:

Velocidad en la seccin de medicin:

Caudal especfico en la garganta:

Carga disponible:

( en radianes)Velocidad antes del resalto:

Tirante antes del resalto:

N de Froude antes del resalto:

Tirante del resalto:

Velocidad en el resalto:

Tirante a la salida de la canaleta:

Velocidad a la salida de la canaleta:

Se considera que toda la energa disipada en la canaleta Parshall se da entre la salida de la garganta (seccin 2) y la seccin de salida de la canaleta (seccin 3), y que en ese volumen la mezcla es prcticamente completa.Prdida de carga en el resalto:

Tiempo de mezcla en el resalto:

Gradiente hidrulico:

Q

H = 10 cm

Punto de extraccin de muestras

V = 2 litros

102

SOLUCIN DE

CONCENTRACIN

C (g/L)

q (L/h)

Q (m

3

/h)

D (mg/L) x Q (m3/h) / C (g/L) = q (L/h)

C (g/L)

C (%) x 10

D = Dosis

BOMBA

DOSIFICADORA

D = Dimetro de la tubera

d = Dimetro del orificio concntrico

L

1

2

P.C. total

1

2

COAGULANTE

H

P

L

Lm

PAGE 1

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