DISEÑO DE SEDIMENTADOR DE FLUJO HORIZONTAL

Una vez realizados los procesos de coagulación y floculación, se deben separar las partículas formadas, para conseguir este objetivo se plantea un sedimentador, el cual consiste en una estructura hidráulica capaz de separar por gravedad las partículas más densas que están en suspensión de una masa de agua.

Variables que influyen en la sedimentación:a) Corrientes de densidad: Son corrientes que se producen dentro del

tanque de sedimentación y son ocasionadas por variaciones en la temperatura y/o concentración de partículas en las corrientes de flujo.

b) Corrientes debidas al viento: Vientos con suficiente intensidad pueden producir cambios en la dirección de flujo.

c) Corrientes cinéticas: Son producidas por fallas internas en el sedimentador ya sea por obstrucciones o un mal diseño de la zona de entrada o de salida al sedimentador.

Caudal de diseño: En este proyecto se van a diseñar dos unidades de sedimentación en paralelo, por lo tanto el caudal de diseño se distribuye entre las dos y se va a manejar un caudal de diseño de 50 L/s para cada sedimentador.A continuación se presentara el diseño de un sedimentador, aclarando que el segundo sedimentador tendrá exactamente el mismo diseño.

Zona de entrada: Tiene como función principal conseguir una distribución uniforme de las líneas de flujo dentro del sedimentador, regulando a su vez la velocidad de las mismas. También hace parte de esta zona de entrada una pantalla difusora o tabique perforado, a la cual se le realizara el respectivo diseño.

1. Distancia entre la pared de entrada y el tabique perforado.La pantalla perforada debe estar ubicada a una distancia entre 0.60 m y 1.0 m, desde la pared de entrada del sedimentador. Para este diseño, se escoge una distancia de:

L= 1.0 m

Fig. xx. Ubicación de la pantalla difusora desde la pared de entrada.

2. Velocidad de paso a través de los orificios del tabique.La velocidad de paso se debe encontrar entre 0.05 m/s y 0.25 m/s. Para efectos de este diseño se escoge una velocidad de paso de:

Vp=0.15m/ s

3. Área total de los orificios del tabique.Teniendo definida la velocidad de paso, se procede a calcular el área total de los orificios, a partir de la siguiente ecuación:

Ao=Q /Vp

Ao=0.050m3 /s

0.15m /s

Ao=0.33m2

4. Forma y tamaño de los orificios.En general los orificios pueden tener forma circular, cuadrada o rectangular, pero por eficiencia y facilidad de construcción se deciden hacer orificios con forma circular y con un diámetro de 3 pulgadas, aclarando que su diámetro puede variar entre 2 pulgadas y 12 pulgadas.

5. Área del orificio del tabique: El área de un orifico con las características mencionadas anteriormente, se puede calcular de la siguiente manera:

a0=π∗d2

4a0=3.1416∗¿¿a0=0.00456m

2

6. Numero de orificios en el tabique.Teniendo ya calculada el área total y el área de cada orificio, se obtiene el numero de orificios que se construirán en el tabique perforado,

No= Aoa0

Siendo:Ao : Área total de orificios [m2]. a0: Área de cada orificio [m2].

No= 0.33m2

0.00456m2

No=72.368No≈80

7. Recalculo del área total de los orificios: Se debe volver a calcular el área total de los orificios ya que se hizo una aproximación particular del número total de orificios.

A0=a0∗No.A0=0.00456m

2∗80A0=0.365 m2

8. Velocidad de paso recalculada:De igual manera la velocidad de paso, previamente escogida, se debe recalcular:

Vp= QA0

Vp=0.050m3/s

0.365m2

Vp=0.14m /s

A continuación se hará el diseño de la zona de sedimentación, puesto que es necesario conocer las dimensiones principales de esta zona, para poder calcular la distribución en filas y columnas de los orificios dentro de la pantalla deflectora.

Zona de sedimentación: Consta de una estructura rectangular con volumen y longitudes definidas, diseñada para que las partículas provenientes de la coagulación y de la floculación, sedimenten adecuadamente. La dirección de flujo es horizontal.

9. Diseño zona de sedimentación

9.1Tasa de sedimentaciónSe escoge para este diseño una tasa de sedimentación de 30 m3

dia∗m2 , esta tasa de sedimentación puede variar entre 20 y 60

m3

dia∗m2 .

q=QA

q=30 m3

dia∗m2

q=0.000347 m3

s∗m2

9.2Área superficial (As) de la zona de sedimentación.

As=Qq

As= 0.050m3/ s

0.000347 m3

s∗m2

As=144.09m2Siendo: Q: Caudal de diseño [m3/s]

q: Tasa de sedimentación [ m3

s∗m2 ].

9.3Velocidad horizontal.Teniendo en cuenta que la velocidad horizontal debe ser menor o igual a 5.0 x10−3m /s, se escoge una velocidad horizontal de:

Vh=0.003m / s

9.4Profundidad útil (H).La profundidad útil no debe ser menor a 3.0 m y tampoco debe exceder los 5.0 m de altura. Inicialmente se escoge una profundidad útil de 4.0 m.

H=4.0m

10.Tiempo de retención medio.El tiempo de retención debe oscilar entre 0.5 y 4.0 horas

t= HV sc

t= 4.0m

30 m3

dia∗m2

t=3.2horas

11.Ancho útil del sedimentador (B).B= Q

V sc∗Vh∗t

B= 0.050m3/s

0.000347 m3

s∗m2∗0.003m /s∗11520 s

B=4.169m

B≈5.0m

12.Longitud del sedimentador (L).L=Vh∗t

L=0.003ms∗11520s

L=34.56L≈35.0m

13.Al hacer constructivas las dimensiones correspondientes al ancho (B) y el largo (L), se deben recalcular los siguientes parámetros:

13.1 Velocidad horizontal:

Vh= 35.0m11520 s

Vh=0.00304m /sVh≈0.003m/ s

13.2 Tasa de sedimentación.

V sc=0.050m3/s

0.003ms∗11520 s∗5.0m

V sc=0.000289m3

s∗m2

V sc=25.00m3

dia∗m2

13.3 Profundidad útil H=0.000289 m3

s∗m2∗11520 s

H=3.33mH ≈3.4m

13.4 Área superficial.

A=5.0m∗35.0mA=175.0m2

13.5 Relación largo (L)/ profundidad (H).La relación L/H debe estar entre 5 y 25.

LH

=35.0m3.4m

LH

=10.3

13.6 Relación largo (L)/ Ancho (B). La relación L/B debe estar entre 2.5 y 10.

LB

=35.0m5.0m

LB

=7

14.Distribución de orificios en filas y columnas.Como se mencionó anteriormente, una vez calculadas las dimensiones de la zona de sedimentación, se puede continuar con el diseño de la pantalla deflectora.

Los orificios más altos de la pared difusora deben estar a 1/5 o 1/6 de la altura total (H) a partir de la superficie del agua y los más bajos entre ¼ y 1/5 de la altura total (H) a partir de la superficie de fondo. Se escogieron 1/6 y ¼ respectivamente. Cabe resaltar que se debe garantizar un borde libre mínimo de 0.20 m.

No .= f∗ccf= BH ´

Por lo tanto:

f=√ No .∗H´B

Donde,

H ´=H−( 14+ 16 )∗H

H ´=3.4m−( 14+ 16 )∗3.4mH ´=2.0m

f=√ 80∗2.0m5mf=5.66f ≈6

c= No .f

c=806

c=13.3

c ≈1415.Numero de orificios total.

Con el numero establecido de filas y columnas se calcula el número total de orificios en la pantalla:

f∗c=No.6∗14=84

Por consiguiente, al haber un número mayor de orificios de acuerdo al número de filas y columnas se deben recalcular ciertos parámetros como el área total de orificios y nuevamente la velocidad de paso:

A0=a0∗No.A0=0.00456m

2∗84A0=0.383 m2

Vp= QA0

Vp=0.050m3/s

0.383m2

Vp=0.13m /s

16.Gradiente a través de los orificios.

G0=[ ϒ∗N 2

μ∗V paso

3

R4 /3 ]0.5

Donde: R=d04

=0.0762m4

=0.01905m

ϒ=9800 Nm3 , a 14°C.

N2=0.009, ya que los orificios son hechos con tubos de PVC.

μ=1.139∗10−3 N∗sm2

Vp= QAo

=0.13m/ s

G0=[ 9800∗0.0092

1.139∗10−3 ∗0.133

0.019054 /3 ]0.5

G0=17.34 s−1

Zona de salida: Conformada por un vertedero de rebose, diseñado para mantener una velocidad que no altere las partículas sedimentadas.

17.Longitud del vertedero de salida.lv=Q

qv

Donde:qv=3.0 Ls∗m ya que no se conoce la naturaleza de la partícula,

se asume que el floculo es pesado. lv=0.050m

3/s

0.003 m3

s∗mlv=16.66mlv ≈17m

18.Verificación lv⩽B.Al no cumplirse, se debe rediseñar el vertedero, proponiendo el uso de cuatro (4) canales auxiliares de distribución, cada uno con una longitud de:

Lc=17m−5m4

Lc=3.0m

Zona de recolección de lodos: Constituida por una tolva con pendiente mínima, capaz de recolectar los lodos sedimentados, y a su

vez permite la extracción por medio de una tubería de limpieza.

19.Volumen de lodos. ⩝L=0.20∗H∗L∗B

⩝L=0.20∗3.4m∗35m∗5m⩝L=119.0m

3

20.Selección de la pendiente del fondo.S=0.02

21.Profundidad adicional del sedimentador.

y= B∗L∗(2 y∗SL)2

y=⩝L

B∗L−S∗L

2

y= 119.0m3

5m∗35m−0.02∗35m

2

y=0.33m