diseño sistema de bombeo

7/26/2019 Diseo Sistema de Bombeo

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Diseo del sistema de bombeo para

purga de lodos activados, del bloque B

del TPC para el tratamiento de aguas

negras en la PTAR del municipio de

Atotonilco de Tula, Hidalgo

Carlos !duardo "egorreta Correa#

# !scuela $uperior de %ngenier&a

'ec(nica ) !l*ctrica +!$%'! -nidad

A.capot.alco, %nstituto Polit*cnico

/acional +%P/

Av de "as 0ran1as 234, A.capot.alco,

$anta Catarina, CP 56673 '*8ico, D9

e:mail; carloslegorretan

del equipo de bombeo para purga de

lodos activados dentro del TPC +Tren de

Procesos Convencionales de una de los

bloques +bloque B de la Planta de

Tratamiento de Agua Residual +PTAR

?acia contenedores llamados espesadores"o anterior se ?i.o considerando las

caracter&sticas del @luido a bombear, las

p*rdidas primarias ) secundarias, la carga

requerida por las bombas, el /P$H +/et

Positive $uction Head disponible ) el

di(metro demandado a la succi>n ) a la

descarga para otorgar al l&quido +lodos

activados la presi>n ) velocidad

deseadas

"os lodos activados son un @luido

particular )a que su densidad es superior

a la del agua debido a que tienen en su

composici>n s>lidos en suspensi>n

+materia org(nica sedimentada

"as p*rdidas primarias secundarias del

sistema de bombeo se calcularon

considerando un @lu1o laminar, la longitud

) di(metro de la tuber&a de conducci>n,

los accesorios +v(lvulas, codos, uniones,

bi@urcaciones utili.ados en la misma as&

como la velocidad del @luido

Para la carga ?idr(ulica requerida por el

sistema +bombas ) el /P$H disponible

se aplic> la ecuaci>n de balance de

energ&a de Bernoulli utili.ando un valor

para la Presi>n atmos@*rica promedio

anual en Atotonilco de Tula de Allende,

Hidalgo de =544 bares

9inalmente se muestra mediante el tra.o

de la curva caracter&stica del sistema +de

bombeo el tipo ) nmero de bombas para

cumplir con los requerimientos del

proceso as& como los di(metros

propuestos de la tuber&a a la succi>n ) a la

descarga para satis@acer las condiciones

de velocidad ) presi>n del @luido +lodos

activados

Palabras clave; "odos activados, sistema

de bombeo, tratamiento de agua residual,

/P$H, carga ?idr(ulica

4 %ntroducci>n

Como parte del el Programa de

$ustentabilidad H&drica de la Cuenca del

alle de '*8ico, que cuenta entre sus

ob1etivos el tratamiento del =55 de lasaguas residuales del alle de '*8ico, se

constru)> en el municipio de Atotonilco

de Tula, Hidalgo, la planta de tratamiento

de aguas residuales m(s grande de

Am*rica "atina ) la m(s grande del

mundo, construida en una sola etapa
mailto:[email protected]:[email protected]


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"a Planta de Tratamiento de Aguas

Residuales Atotonilco +PTAR tiene como

ob1etivo el tratar las aguas crudas

provenientes del alle de '*8ico

+alrededor del 25 de las aguas

residuales de la ciudad de '*8ico

conducidas a trav*s del Tnel !misor

riente ) del !misor Central, los cuales

descargan al r&o !l $alto ) al canal de

riego !l $alto:Tlamaco, respectivamente

"a planta cuenta con dos trenes de

tratamiento, un tren de tratamiento

biol>gico denominado Tren de Procesos

Convencionales +TPC ) un Tren deProcesos Eu&micos +TPE

9ig = Caudales de operaci>n para el TPC ) TPE

durante per&odo de estia1e

9ig 4 Caudales de operaci>n para el TPC ) TPE

durante per&odo de lluvias

9ig 7 Diagrama de procesos de la PTAR

Atotonilco

-na ve. que el agua pasa por el

pretratamiento, *sta es dirigida ?acia uno

de los dos trenes de agua que e8isten en la

planta !l agua que es conducida ?acia el

TPC entra primero a una sedimentaci>n

primaria para remover una parte de los

$$T +$>lidos $uspendidos Totales ) de

la DB +Demanda Biol>gica de 8&geno

suspendida, esto con la @inalidad de

me1orar las condiciones de operaci>n del

proceso subsecuente Despu*s es

bombeada ?acia el reactor para llevar a

cabo el proceso biol>gico, en donde los

microorganismos consumen la materia

org(nica ) la descomponen

Posteriormente el agua es conducida del

reactor ?acia el clari@icador secundariopor medio de un vertedero ubicado en la

pared compartida que poseen, es aqu&

donde la masa de microorganismos,

llamada lodo activado, se sedimenta ) es

redirigida ?acia la entrada del reactor para

que los microorganismos continen con el

proceso biol>gico, mientras que el

e8cedente de lodos es enviado a los

espesadores para ser utili.ados en la

generaci>n de biog(s

!l sistema de tratamiento secundario est(

con@ormado por 4F m>dulos, compuestos

por = reactor aer>bico ) = clari@icador

secundario, ) sus equipos au8iliares de

bombeo ) aireaci>n Cada con1unto de

tres reactores con su respectivo

clari@icador es denominado bloque, la

planta cuenta con 3 bloques en total,

distinguidos por una letra de la A a la H

Cada reactor aer>bico tiene G5 m de

longitud, 7256G m de anc?o, 2G m de

altura total ) 25 m de altura de operaci>n,

resultando un volumen de operaci>n por


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tanque de =5,344G m7) un volumen total

de 4G,6F5 m7

"a descarga de cada reactor biol>gico

?acia su respectivo clari@icador

secundario se reali.a mediante vertederosubicados en la pared compartida entre

ambas estructuras, los cuales ?an sido

diseados para mane1ar en con1unto el

@lu1o promedio de 47 m7Is

"os clari@icadores secundarios son

rectangulares de 25 m de longitud por G5

m de anc?o ) FG m de espe1o de agua

7 Desarrollo

7= Datos del Pro)ecto

!l @luido a bombear +lodos activados

tiene las siguientes caracter&sticas;

: Tipo de @luido; me.cla de agua gris o de

tratamiento +5 ) lodo biol>gico

+=5

: Temperatura critica de bombeo; :=5JC )

G5 JC

: Densidad +K; =5747 LgIm7

: iscosidad din(mica; F=532 cP

: iscosidad cinem(tica + ; 738=5 :2

m4Is M 73 c$t

: elocidad m(8ima de conducci>n; =G

mIs

Del total del volumen de lodo

sedimentado del bloque de tratamiento

+F7=GF62= gpm se necesita recircular

=555 gpm por cada reactor biol>gico, es

decir, en suma los tres requieren 7555

gpm Por lo tanto se requiere seleccionar

el equipo de bombeo para mover el lodo

e8cedente, que en este caso es igual a;

Caudal de lodo ?acia espesadores;

F7=GF62= gpm N 7555 gpm M =7=GF62=

gpm M 5537 m7Is

74 Determinaci>n del di(metro de la

tuber&a de succi>n ) descarga de

la bomba a espesadores

9ig F !squema del sistema de conducci>n

?acia espesadores

!l @luido a bombear presenta la

restricci>n de que la velocidad de


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conducci>n no puede ser ma)or a =G mIs,

por lo tanto;

$abemos que; Q=V A A=Q

V

Donde; A MD 4

$ustitu)endo a A en la ecuaci>n de

caudal, tenemos;

D

4=

Q

VD=

4 Q

V O E M

=7=GF62= 0P' M 5537 mIs

$ustitu)endo valores;

D=4 (0.083 )

(1.5 ) =0.2654m=10.4499pulg

DSUCCIN=10.4499pulg

DDESCARGA=10.4499pulg

Debido a que la norma para tuber&a

A$T' AG7IA G7':54 no mane1a tubos

de di(metro de =5FFpulg, tendremos

que irnos al inmediato superior con

di(metro nominal de =4 pulgadas c*dula

F5 para que mantengamos una velocidad

recomendable

bservamos que corresponde a unatuber&a de 7473mm +=4pulg de

di(metro con las siguientes

caracter&sticas;

'aterial; Acero al carb>n sin costura

c*dula F5 A$T' AG7IA G7':54 0rado B

Tipo !

Di(metro nominal + nom M=4 pulg M

7473 mm M 57473 m

!spesor de pared +t M 5F52 pulg M =57=

mm M 55=57= m

Di(metro interior + int M nom:

4t M 57473 m N 4 +55=57=m M 5757=3

m

Coe@iciente de rugosidad; =4 8 104

m

olviendo a calcular la velocidad de

recirculaci>n para el di(metro de tuber&a

seleccionado ) normali.ado tenemos;

Datos;

Q=0.083m /s

$abemos que; Q=V AV=QA

$ustitu)endo valores nos queda;

V= 0.083

(0.30318 )2

4

=1.1493ms

-na velocidad que se encuentra dentro

del rango establecido +menor a =G mIs

!speci@icaciones completas de la tuber&a

utili.ada;

Tuber&a de acero al carb>n soldado ) sin

costura A$T' A G7 0r B +rolado en @rio

Tipo ! +$oldado con resistencia el*ctrica

C*dula F5 con recubrimiento Amercoat

=7F +Resina ep>8ica debido a la

naturale.a del @luido conducido +PH M

62


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77 C(lculo de las p*rdidas primarias

) secundarias

!n la tuber&a de succi>n;

Tuber&a;

=0.30318mD

k=1.2x 104

m

9luido;

=1032.3kg

m3

iscosidad cinem(tica +;

3.98x106m

2

s M 73 c$t

HrSUCCIN=L+Le

DV2

2g

Tabla = Datos de los accesorios de tuber&a usados

en la succi>n, as& como su longitud equivalente

succi!=V D


succi"!=1.1493 (0.30318 )

3.98x106 =87554.7135

Rugosidad relativa;

k

D=

1.2x104

0.30318=3.9580x10

4

Con los valores de succi"! )k

D se

lee en el diagrama de 'ood) +er ane8o

=;

=0.0204

$ustitu)endo los valores enHrsucci"! ,

tenemos;

Hrsucci!=L+Le

DV2

2 g=0.0204 (3.2968+7.750.30318 )(1.14919.6

HrSUCCIN=0.05002mcl

!n la tuber&a de descarga;

Datos;

Q=0.083m /s

V=1.1493m

s

Tuber&a;

=0.30318mD

k=1.2x 104 m

9luido;

=1032.3kg

m3


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=3.98x 106m

2

s

Hr#esc$rg$=L+Le

D

V2

2 g

Tabla 4 Datos de los accesorios de tuber&a usados

en la descarga, as& como su longitud equivalente

#esc$rg$=V D


#esc$rg$=1.1493 (0.30318 )

3.98x106 =87554.7135

Rugosidad relativa;

k

D=

1.2x104

0.30318

=3.9580x104

Con los valores de #esc$rg$ )k

D

se lee en el diagrama de 'ood);

=0.0204

$ustitu)endo los valores enHrDES CARGA (%REN)

, tenemos;

Hr#esc$rg$=L+Le

D

V2

2 g=0.0204 ( 116.9583+50.0.30318

Hr#esc$rg$=0.75962mcl

P*rdidas primarias ) secundarias totales;

Hr12

=Hr succi"!+Hr#esc$rg$

Hr12

=0.05002+0.75962

Hr12

=0.80964mcl

7F C(lculo de la carga +Hb de la

bomba a espesadores

Aplicando Bernoulli desde el punto =

?asta el punto 4

&1g

+'1+

V12

2g+H(=

&2g

+'2+

V22

2g+Hr

12

Donde '1 )&

2

g M 5 porque

e! '1 est( el nivel de re@erencia )

&2

g es la presi>n relativa de la

descarga ) como en este caso *sta es

?acia la atmos@era, es igual a 5V1

2

2 g M

V22

2 g

V12

2g QV2

2

2 g M 5

Despe1ando la carga de la bomba;

Ecuacin 1: H(='2+Hr12&

1

g


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Donde&

1

g es la presi>n en la succi>n

debida a la columna de @luido del

clari@icador secundario, la tolva, el tubo

de la tolva ) el tubo de recolecci>n delodos, por lo tanto;

&1

g M 263 mcl

$ustitu)endoHr

12 en la ecuaci>n de la

carga de la bomba +Ecuacin 1) nos

queda;

H(=17.28264+0.809646

H(=12.0922mcl=39.6626 )* cl

7G C(lculo de la potencia te>rica +P

que la bomba proporciona al

@luido ) c(lculo de la potencia de

accionamiento +Pa

&=Q g H (=0.083m3

s 1032.3

+g

m3 9.81

&=10163.8523,$**s=13.63H&

&$= &

-("m($=

13.63H&

0.822=16.5815H&=12.36

72 C(lculo del /P$H disponible en

la bomba a espesadores

Datos;

Presi>n atmos@*rica promedio anual

Atotonilco de Tula de Allende, Hidalgo;

=544 milibar M =544 bar M =54455

Pascales M =54455I+=5747 8 3= M

=55= mcl

Temperatura anual promedio Tula de

Allende, Hidalgo; =62 JC 45 JC

Presi>n de vapor del @luido a la

temperatura de bombeo +45 JC; =3563

Torr M 4F=43F4= Pa M 54734 mcl

N&SH#isp"!i(le=&|1|& .$p"r$ %/

g 0 '

1Hrsucci"!

N&SH#isp"!i(le=10.0919mcl0.2382mcl+6mcl0

N&SH#isp"!i(le=15.80368mcl=51.836 )*cl

"a /P$H disponible debe ser ma)or que

la /P$H requerida para evitar la

cavitaci>n

S de acuerdo a la curva de operaci>n de

la bomba seleccionada, esta condici>n se

cumple, )a que el N&SHre1ueri#" 211 )*cl

F Resultados

F= $elecci>n de la bomba a

espesadores


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De acuerdo a los requerimientos de E ) H

para llevar acabo correctamente el

proceso de purga de lodos, as& como la

naturale.a del @luido ) las condiciones del

lugar de instalaci>n, se determin> usar el

siguiente equipo de bombeo;

Bomba tipo turbina de @lu1o mi8to con

recorte de impulsor de =I3 pulg, e1e

?ori.ontal marca B/ modelo =F D$%% de

= etapa, lubricaci>n agua, girando a ==6G

rpm con E M =7=GGgpm ) H M 72@tcl

9ig G Bomba B/ modelo =F D$ %%

9ig 2 !squema representativo del

@uncionamiento de la bomba B/ =F D$ %%

F4 Curva caracter&stica de la bomba

) punto de operaci>n

$e calcularon las condiciones de

operaci>n de la bomba en @unci>n del

caudal para obtener la curva carga del

sistema ) el punto de operaci>n

9ig 6 Curva caracter&stica E:H de la bomba B/

modelo =F D$ %%

Posteriormente se calcularon las

condiciones de gasto +E ) de carga

?idr(ulica +H para la succi>n ) ladescarga, considerando las p*rdidas por

ro.amiento totales obtenidas en c(lculos

anteriores "os resultados de E ) H

calculadas +segn lo anterior se

utili.aron para tra.ar la curva E:H del

sistema


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9ig 3 Curva E:H del sistema a espesadores

Despu*s de tra.ar la curva carga del

sistema, determinamos el punto de

operaci>n real ) las condiciones en las

que @uncionara la bomba;

E M =7=2 gpm +galones por minutoH M 73 @tcl +pies columna de l&quido

/P$Hrequerido M == @tcl +pies columna de

l&quido

Potencia de accionamiento M =2 ?p

+caballos de @uer.a

!@iciencia M 344

G Conclusiones

Resulta evidente concluir que para

reali.ar el diseo de un sistema de

bombeo correctamente es necesario tomar

en cuenta diversos @actores ) condicionesque in@lu)en en el @uturo comportamiento

del mismo !n el traba1o e8puesto en este

documento se mostr> que el c(lculo de la

tuber&a de succi>n ) descarga depende de

las restricciones de velocidad ) presi>n

que se tengan, considerando que la

elecci>n del material de la misma

igualmente est( en @unci>n de las

caracter&sticas del @luido "os di(metros

de dic?a tuber&a ) los accesorios

utili.ados a@ectar(n directamente al

comportamiento de la bomba

seleccionada )a que aumentan o

disminu)en las p*rdidas por ro.amiento

que se tendr(n en el sistema ) por

consecuencia in@luir( en la potencia

?idr(ulica requerida

Para el proceso de bombeo de lodos

activados en donde se tiene un l&quido

con densidad superior a la del agua ) con

l&quidos en suspensi>n las bombas de

@lu1o a8ial o mi8to tienen me1or

desempeo debido a que el diseo de la

carcasa ) el impulsor, principalmente,

permiten despla.ar de manera constante

grandes caudales con cargas ?idr(ulicas

no mu) altas


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2 Re@erencias

U=V 9lu1o de @luidos en v(lvulas,

accesorios ) tuber&as

Divisi>n de ingenier&a de CRA/!

'c 0raW Hill, GX !dici>n

'*8ico, =3

U4V 'ec(nica de @luidos ) 'aquinas

?idr(ulicas

Claudio 'atai8

Harla, $A de C

'*8ico, =G

U7V 'ec(nica de @luidos

9ranL ' Y?ite,

'c 0raW Hill, GX !dici>n'*8ico, 455F

UFV 'ec(nica de @luidos aplicada

Robert " 'ott

Prentice Hall, GX !dici>n

'*8ico, 4555

diseño sistema de bombeo

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