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• M A Bedon Gonzales

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MEZCLA RAPIDA

INTRODUCCION Se denomina mezcla rápida a las condiciones de intensidad de agitación y tiempo de retención que debe reunir la masa de agua en el momento en que se dosifica el coagulante, con la finalidad de que las reacciones de coagulación se den en las condiciones óptimas correspondientes al mecanismo de coagulación predominante. Esta dispersión debe ser lo más homogénea posible, con el objeto de desestabilizar todas las partículas presentes en el agua y optimizar el proceso de coagulación. La coagulación es el proceso más importante de una planta de tratamiento; de ella depende la eficiencia de todo el sistema. La mezcla rápida puede efectuarse mediante turbulencia, provocada por medios hidráulicos o mecánicos, tales como resaltos hidráulicos en canales, canaletas Parshall, vertederos rectangulares, mezcladores mecánicos en línea, rejillas difusoras, chorros químicos, tanques con equipo de mezcla rápida. En los mezcladores hidráulicos la mezcla se ejecuta como resultado de la turbulencia que existe en el régimen de flujo.

MEZCLA RAPIDA

MARCO TEORICO 1.

TEORIA DE MEZCLA RAPIDA

1.1.

Mezcla Por Adsorcion-Neutralizacion Para que se produzca la desestabilización de las partículas mediante el mecanismo de neutralización de cargas o adsorción, tiene que haber transporte o colisión entre los coloides y los productos de las reacciones hidrolíticas en incipiente formación. Este tipo de coagulación con dosis bajas de sustancias químicas produce normalmente flóculos desestabilizados muy pequeños. Se realiza en un tiempo muy corto y ocurre en 0.01 a 1 segundo sin producción de hidróxido de aluminio por adsorción de contraiones en la doble capa. Para este tipo de coagulación se requiere que los productos de hidrolisis sean transportados hasta la superficie de los coloides en una fracción de segundo.

1.2.

Mezcla Por Barrido En este mecanismo de coagulación, las interacciones se producen entre los coloides del agua y la voluminosa formación de precipitado de hidróxido de hierro o aluminio. En este caso el agua resulta supersaturada con los hidróxidos de aluminio o hierro, lo que produce una rápida precipitación de ellos. En estas circunstancias son considerablemente más importantes las condiciones químicas para lograr una buena precipitación y subsecuente floculación de las partículas que las interacciones de transporte entre el coloide y los productos hidrolíticos durante la desestabilización. Por consiguiente, en este caso son importantes los aspectos químicos en la etapa de desestabilización y los de transporte en la etapa de floculación. Estos conceptos concuerdan con el estudio de Letterman y May, indicaron que las etapas iniciales de la floculación están influenciadas por las operaciones de mezcla rápida y encontraron un periodo óptimo de mezcla rápida sustancialmente mayor que el tiempo necesario para la precipitación de aluminio (1-7 segundos). Sugirieron la siguiente relación empírica para optimizar las operaciones de mezcla rápida:

Donde:

1.3.



T* = tiempo óptimo de mezcla rápida (segundos)

 

C = dosis de coagulante en mg/L G = gradiente de velocidad promedio en s-1

Mezcla Rápida Con Polímeros Los mecanismos de coagulación predominantes con los polímeros orgánicos son los de neutralización de la carga y puente interparticular. Se puede suponer que en este caso no son necesarios altos valores de gradientes de velocidad, puesto que no se producen las reacciones de adsorción en los coloides y precipitación como hidróxido, que ocurren simultáneamente durante la etapa de mezcla con coagulantes inorgánicos.

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MEZCLA RAPIDA Estudios efectuados recomiendan gradientes de velocidad de 400 a 800 s-1 y tiempos de retención de 60 a 30 segundos, respectivamente. Con polímeros de peso molecular bajo, se ha identificado un rango de gradiente de velocidad de 300 a 650 s-1 para optimizar el proceso.

2.

PARAMETROS O FACTORES DE DISEÑO QUE MODIFICAN EL PROCESO

2.1.

Intensidad y Tiempo de Mezcla



La intensidad de agitación es importante cuando el mecanismo de coagulación predominante es el de adsorción o neutralización de carga. En este caso, el coagulante debe dispersarse en forma instantánea en toda la masa de agua antes de que la hidrólisis del coagulante se complete, sobre todo cuando se emplean coagulantes inorgánicos como las sales de aluminio (III) o de hierro (III), por lo que, si la unidad de mezcla no produce un gradiente de velocidad apropiado en un tiempo de retención instantáneo, no se habrá logrado una desestabilización completa.



Cuando el mecanismo predominante es el de barrido, este parámetro es indiferente y debe limitarse a producir una distribución homogénea del coagulante en la masa de agua, y el gradiente de velocidad no influye en la eficiencia, como se puede constatar por los resultados experimentales indicados en la figura.



En los casos en que el mecanismo predominante sea el de adsorción, los gradientes de velocidad (G) recomendados varían entre 700 y 1.000 s-1 y de 3.000 a 5.000 s-1 para coagulantes inorgánicos, dependiendo del tipo de mezclador.



Adicionalmente, gradientes de velocidad mayores de 1.000 s-1 y menores de 3.000 s-1 afectan negativamente el proceso y producen una tasa de desestabilización mínima.



En la coagulación con polímeros, gradientes superiores a 800 s-1 rompen las cadenas poliméricas y reducen la eficiencia.



Por otro lado, gradientes de velocidad exageradamente altos (> 5.000 s-1) traen como consecuencia un fuerte etardo en el tiempo de ormación del floculo.

FiguraN°01: Influencia del gradiente de la intensidad de la mezcla rápida en la coagulación de barrido.



Esto se hace sostenible al observar el cuadro que contiene los resultados de un estudio realizado por Camp, variando el gradiente de mezcla rápida con tiempos de retención constantes.

Figura N°02: Tiempo de formación del floculo a diversos gradientes de velocidad (camp)



El tiempo de retención puede variar de décimas de segundos a siete segundos, dependiendo de la concentración de coloides en el agua por tratar y del tipo de unidad seleccionada. De

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MEZCLA RAPIDA la concentración de coloides presente en el agua dependerá el tipo de mecanismo de coagulación resultante; esto es:  Alta concentración de coloides mecanismo de absorción o de neutralización de cargas.  Baja concentración de coloides  mecanismo de barrido. 2.2.

Mecanismo o sistema de Aplicación del Coagulante La coagulación con sales de aluminio o de hierro solo se realiza satisfactoriamente a un pH determinado y en presencia de alcalinidad en una cantidad mínima para las reacciones químicas. Moffet considera que una reacción adecuada del coagulante con el agua solamente ocurrirá si: 1. Todos los productos químicos que alteran el pH (cal, soda, ácido, cloro y otros) se aplican aguas arriba del punto de aplicación del sulfato de aluminio, a una distancia suficiente que asegure una completa disolución y mezcla. El pH del agua cruda debe corregirse previamente de modo que resulte el pH óptimo de coagulación, antes que la reacción del sulfato de aluminio se produzca. 2. La dosis de sulfato de aluminio debe añadirse a una tasa constante en la cámara de mezcla rápida, de forma tal que el mismo sea inmediata y uniformemente dispersado en el agua que llega a la planta de tratamiento.

2.3.

Tipo de dispositivo de Mezcla Es altamente deseable que ocurran condiciones de flujo de pistón, ya que la existencia de corrientes de cortocircuito o la detención de masas de agua por un tiempo mayor que el necesario traerá el inconveniente de que la masa de agua en algunas partes recibirá mayor cantidad de coagulante, lo que podrá causar la reestabilización de los coloides, mientras que otras partes recibirán cantidades demasiado bajas para iniciar la coagulación.

3.

MEZCLADORES Las unidades normalmente utilizadas para producir la mezcla rápida se pueden clasificar en dos grandes grupos, dependiendo del tipo de energía utilizada para producir la agitación: mecánica e hidráulica. Las primeras plantas de tratamiento que se construyeron no tenían dispositivos especiales para la dispersión de los productos químicos. Los primeros dispositivos para la mezcla rápida fueron hidráulicos. Con el desarrollo de la técnica del tratamiento de agua, se pasó a dar preferencia a los mezcladores mecánicos, principalmente en los países más industrializados.

Figura N°03: Tipos de Mezcladores UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO–FCAM-ING SANITARIA-POTABILIZACION DE AGUA I

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MEZCLA RAPIDA 3.1.

Tipos De Mezcla Rapida:

3.1.1. Mezcladores Rapidos Hidraulicos Los mezcladores rápidos hidráulicos se utilizan cuando se dispone de suficiente cabeza o energía en el flujo de entrada. Por lo general se usan resaltos hidráulicos, canaletas Parshall, tubos Venturi, dispersores de tubos perforados, etc., de tal manera de generar la energía en turbulencia y aprovecharla para la mezcla del coagulante. Donde: 

γ = peso específico del agua en kg/m3



µ = coeficiente de viscosidad en kg s/m2



H = pérdida de carga en m



T = tiempo de mezcla en s

El factor (γ/µ) ^ 0,5 depende de la temperatura del agua, conforme al siguiente cuadro:

Figura N°04: Valores de (γ/µ) ^ 0,5

3.1.1.1.

Resalto Hidráulico El resalto hidráulico es un fenómeno que ocurre cuando la corriente líquida pasa de un régimen rápido a uno tranquilo, a través de una profundidad crítica, y discurre de una profundidad menor a una mayor, mientras que la velocidad cambia de mayor a menor que la crítica. Los resaltos pueden producirse en canales horizontales o de fondo inclinado. Son frecuentemente utilizados para producir mezcla rápida en canales rectangulares con cambio brusco de inclinación. La figura ilustra cómo ocurre el resalto a través de la curva de energía específica.

Figura N°05: Resalto Hidráulico

• •

 Parámetros de Diseño: Gradientes de velocidad entre 700 y 1300 s-1 y tiempos de retención menores de un segundo. Números de Froude (F) variables entre 4,5 y 9,0 para conseguir un salto establ

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•

• •

e, con excepción de la canaleta Parshall, que funciona mejor con números de Froude entre 2 y 3. El coagulante debe aplicarse en el punto de mayor turbulencia (inicio del resalto)en forma constante y distribuido de manera uniforme en toda la masa de agua.  Criterios de Dimensionamiento Se supone que h1 es igual a d1 Las alturas de agua antes (h1) y después del resalto (h2) deben satisfacer la siguiente ecuación:

Donde: h1 = altura del agua en el resalto h2 = altura del agua después del resalto

Figura N°05: Descripción esquemática del criterio asumido

v1 = velocidad en el resalto •

Los tipos más frecuentes tienen la ventaja de servir como unidades de medición de caudal y como unidades de mezcla rápida.

•

La energía hidráulica disipada o perdida de carga se puede calcular en la longitud (L) del resalto, mediante la fórmula de Belanger:

•

La longitud de resalto mediante la fórmula de Smetana:



Gradiente de velocidad (G) producido:

 γ = peso específico del agua (kg/m)  µ = coeficiente de viscosidad absoluta  Q = caudal (m3/s)  hp = pérdida de carga (m) 

Tiempo de mezcla:

 

V1 = velocidad del agua en la sección (1) V2 = velocidad del agua en la sección (2)

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MEZCLA RAPIDA 3.1.1.1.1.

Canaleta Parshall La canaleta Parshall es utilizado en las plantas de tratamiento con la doble finalidad de medir el caudal y efectuar la mezcla rápida, la forma más común de producir un resalto hidráulico. Consiste en un segmento de canal con cambio rápido de pendientes y contrición en el punto llamado garganta. Al comienzo de ella el agua pasa por la profundidad critica (NF=1) y debido al cambio de pendiente se acelera hasta crear un régimen supercrítico que se convierte en un salto hidráulico al encontrar la pendiente negativa de la sección G de salida en la que el régimen es subcritico.

Figura N°06: Dimensiones estandarizadas de los medidores Parshall

Figura N°07: Dimensiones estandarizadas de los medidores Parshall

La altura de agua en la sección de medición puede ser calculada por la siguiente ecuación: Los valores de k y m se pueden obtener del siguiente cuadro:

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La velocidad en la sección de medición se calcula mediante la siguiente relación:

3.1.1.1.2.

Vertedero Rectangular Esta unidad consiste en un canal rectangular con un vertedero rectangular sin contracciones a todo lo ancho del canal. La lamina vertiente, después de pasar sobre el vertedero, toca el fondo del canal en la sección 1, a una distancia Lm del vertedero. Cuando la lámina alcanza el fondo, se divide en una corriente principal que se mueve hacia el frente y en una corriente secundaria que retorna. Para evitar el efecto perjudicial de la zona muerta que forma un vertedero de paredes verticales, se recomienda el diseño de la siguiente figura:

Figura N°08: Vertedero Rectangular



La distancia Lm puede ser calculada por la ecuación de Scimeni:



La longitud de mezcla (Lj) se calcula mediante la siguiente ecuación:



Para el cálculo de la gradiente de velocidad, es necesario conocer la altura crítica



q: caudal específico

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

La altura de agua en esta sección (hf) está relacionada con la altura crítica (hc) por la siguiente ecuación:

3.1.1.2.

En Línea Con este tipo de unidades es posible conseguir tiempos de mezcla muy cortos, menores de un segundo, y elevadas intensidades de mezcla. Kawamura da algunas razones por las que recomienda este tipo de unidades: 1) Proporciona una buena mezcla instantánea con pocos cortocircuitos. 2) Se reducen los costos al omitir la instalación de una unidad de mezcla rápida convencional.

3.1.1.2.1.

Difusores Este tipo de mezclador es especialmente apropiado para canales de mezcla profund os y cuando no se tiene mucha carga disponible para el mezclador.  Cuando la altura de agua en el punto de mezcla es grande, la mezcla es más efici ente si la aplicación del coagulante se efectúa en toda la sección y no en un solo punto.  Cuando el coagulante se aplica en un solo punto, los resultados no son buenos debido a que la mezcla se completará en una distancia tal comoL, lo que deman dará un exagerado tiempo de mezcla (T) Como el sulfato de aluminio al con tacto con el agua se hidroliza y polimeriza en fracciones de segundo, la eficienci a del proceso disminuye.  Cuando el número de puntos de aplicación es mayor, menor es la distancia (L/ 4) y el tiempo de mezcla (T/4) y la dispersión del coagulante más rápida, con l o que se logra una eficiencia mayor.

Figura N°09: Difusores

 Parámetros de Diseño:  El gradiente de velocidad puede variar entre 500 y 1.000 s  El tiempo de retención puede variar entre 1 y 7 segundos.  El espacio máximo entre dos orificios nunca debe ser superior a 10 centímetros, para que el coagulante se distribuya de manera uniforme en toda la sección del canal.  Los chorros de coagulante deben tener una velocidad de 3 m/s y deben dirigirse en sentido perpendicular al flujo. UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO–FCAM-ING SANITARIA-POTABILIZACION DE AGUA I

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 



Los orificios deben tener un diámetro mínimo de 3 mm. La velocidad de la masa del agua donde se distribuyen los chorros deberá ser igual o superior a 2 m/s. Deben preverse facilidades para la limpieza o para la rápida sustitución del difus or. Los difusores en tuberías no permiten ver cómo está operando la unida d, por lo que resulta una unidad muy vulnerable en sistemas donde no se dispo nga de un buen nivel de operación.

Figura N°10: Difusor en tubería

Figura N°11: Difusor en canal

 Criterios de Dimensionamiento: En el cálculo de estas unidades se utiliza el modelo de Stenquist: -

-

-

α= coeficiente que depende del número de orificios. Los experimentos realizados por Stenquist proporcionan un valor de α = 5 F = densidad de orificios en el difusor o número de orificios por pulgada cuadrada d = diámetro de las barras que constituyen la reja del difusor a = tasa de reducción de las fluctuaciones de la concentración. Depende del diámetrode las barras.Valores experimentales determinados por Sten quist l = longitud de la mezcla (m) C1 = concentración inicial del coagulante en el flujo de agua

Figura N°10: Valore constantes α= 5,00

3.1.1.2.2.

Inyectores

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MEZCLA RAPIDA En este tipo de unidades la energía necesaria para la mezcla rápida se consigue sobre la base de la energía disipada por una multitud de chorros que producen un flujo turbulento en la tubería de conducción de agua.

Figura N°11: Inyectores

 Parámetros de Diseño  La velocidad de los chorros (u) debe ser por lo menos cinco veces la velocidad del flujo del agua.  3.2.

La eficiencia máxima se consigue cuando el área cubierta por los chorros es por lo menos 80% de la sección del tubo.

MEZCLADORES RAPIDOS MECANICOS Los mezcladores rápidos mecánicos por lo general consisten en hélices, paletas, turbinas u otros elementos similares. Los ejes giran a un número alto de revoluciones, lo cual agita el agua en forma violenta y propicia la mezcla rápida y uniforme del coagulante. La mezcla rápida mecánica es más eficiente cuando se emplean agitadores de tipo turbina. El agitador de turbina consta de un disco o eje con impulsores, los cuales imparten movimiento al líquido a través de la rotación del disco. Se clasifican por el tipo de movimiento en turbinas de flujo axial o flujo radial. En los mezcladores mecánicos, la turbulencia necesaria para la mezcla proviene de una fuente externa, generalmente un motor eléctrico y, de este modo, puede ser fácilmente controlable. Son adecuadas para cualquier tipo de agua, pero se recomiendan para aguas claras que coagulen por el mecanismo de barrido. a) Mezclador en Línea Mecánico Fue introducido en los años sesenta. Este tipo de agitador puede reemplazar a los grandes mezcladores y a los tanques retromezcladores, debido a que proporciona una agitación casi instantánea, mezclando o dispersando en un volumen muy pequeño y con un bajo consumo de energía.

Figura N°12: Mezclador en Línea Mecánico

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MEZCLA RAPIDA b) Retromezclador Está compuesto de un tanque diseñado para un periodo de retención determinado y un sistema de agitación.

Figura N°13: Retromezcladores





 Parámetros de Diseño: Gradiente de velocidad de 500 a 1.000 s-1. Tiempo de retención de 1 a 7 seg.

 Criterios para el Dimensionamiento: Rushton encontró que la potencia debida a las fuerzas de inercia y a las fuerzas de viscosidad, representadas respectivamente por los números de Froude y de Reynolds, están relacionadas por la siguiente expresión general:

 NR es el número de Reynolds  Nf es el número de Froude La relación entre el número de potencia, el número de Reynolds y el número de Froude depende de las características del flujo.  P = potencia aplicada al agua por el impulsor (k*m/s)  n = número de rotaciones por segundo (rps)  D = diámetro del impulsor (m)  ρ = densidad del agua k masa/m3  v = viscosidad absoluta k*s/m2  g = factor de conversión de la ley de Newton (= 9,81) dimensional  K = El coeficiente K depende de la geometría del sistema cámara-equipo de mezcla 

De acuerdo con el régimen hidráulico:



Los valores de K para cuatro tipos básicos de turbina se dan en función del gráfico presentado:

Figura N°14: Relación entre el número de potencia y número de Reynolds para algunos tipos de turbinas.

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