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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA
CERRERA DE INGENIERÍA CIVIL
“DISEÑO DEL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN DE COAGULANTE
EMPLEADO EN LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN DE AGUA DENTRO
DEL LABORATORIO DE INGENIERIA HIDRAULICA EN LA
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR”
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE
INGENIERA CIVIL
AUTORA: VERA MEDINA RAISA CRISTINA
TUTOR: ING. FREDDY PAUL MUÑOZ TOBAR M.Sc.
QUITO, 16 DE AGOSTO
2016
ii
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a Dios y a mi amada Santa Rita por acompañarme siempre
y jamás haberme dejado rendir ante cualquier obstáculo.
A mis padres y familia por siempre darme su apoyo, su dedicación, confianza
incondicional y su empeño para culminar esta meta.
A mi hermana Nadia, mi mejor amiga y compañera de vida, por darme su amor, por
todos los sacrificios que hizo por mi durante el estudio de mi carrera para poder
llegar a ser este sueño realidad.
iii
AGRADECIMIENTO
A mis padres Jorge y Mónica, que con su ejemplo de arduo trabajo y apoyo
me incentivaron a ser mejor cada día, por su comprensión y confianza durante todo
el proceso de realización de este sueño.
A mis hermanos Nadia y Jorgito, por su cariño infinito e impulsarme cada día a seguir
adelante.
A mi familia, abuelitas, tíos y tías, gracias por siempre apoyarme con su granito de
arena, concejos y motivaciones de superación.
A mis compañeros y amigos, por su amistad sincera, cariño, amor y apoyo para
culminar este trabajo, Juan Pablo gracias por estar siempre ahí, soñar y no
detenernos por nada.
Finalmente, quiero agradecer de manera especial a la UNIVERSIDAD CENTRAL
DEL ECUADOR y al Ing. Freddy Muñoz por haber dirigido este estudio y por
compartir sus conocimientos.
iv
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL
Yo, VERA MEDINA RAISA CRISTINA, en calidad de autor de la tesis
realizada sobre: “DISEÑO DEL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN DE
COAGULANTE EMPLEADO EN LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN DE
AGUA DENTRO DEL LABORATORIO DE INGENIERIA HIDRAULICA EN
LA UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR”, por la presente autorizo a la
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que
me pertenecen de los que contienen esta obra, con fines estrictamente académico o de
investigación.
Los derechos que como autor me corresponde, con excepción de la presente
autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los
artículos 5, 6, 8, 19 y los demás pertinentes de la ley de Propiedad Intelectual y su
reglamento.
Quito, 16 de Agosto de 2016
Atentamente,
______________________________
VERA MEDINA RAISA CRISTINA
C.I.: 1722350731
Telf. 097917673
E-mail: [email protected]
v
vi
vii
viii
CONTENIDO
DEDICATORIA …………………………………………………………………………..II
AGRADECIMIENTO…………………………………………………………………….III
AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL………………………….…......IV
INFORME DEL TUTOR………………………………………………………..….….….V
INFORME DEL JURADO…………………………………………………………...…..VI
CONTENIDOS………………………………………………………………………….VIII
ANEXOS………………………………………………………………….…………..….XII
LISTA DE FIGURAS………………………………………………………….………..XIII
LISTA DE TABLAS………………………………………………………….…...……..XV
LISTA DE FOTOGRAFIAS………………………………………………….…..……XVII
RESUMEN………………………………………………………………………..…...XVIII
ABSTRACT……………………………………………………………..………………XIX
CAPÍTULO I ........................................................................................................................ 1
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 1
1.1. ANTECEDENTES ...................................................................................................... 1
1.2. IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO ......................................... 2
1.3. OBJETIVOS .............................................................................................................. ..2
1.3.1. OBJETIVO GENERAL…………………………………………………………………………………..2
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS…………………………………………………………………………..2
1.4. ALCANCE DEL PROYECTO DE GRADUACIÓN .................................................. 3
CAPÍTULO II ....................................................................................................................... 4
2. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 4
2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE COAGULACIÓN-FLOCULACIÓN .............. 4
2.2. MECANISMOS DE LA COAGULACIÓN ................................................................ 7
2.2.1. Compresión de la doble capa……………………………………………………………………………7
2.2.2. Adsorción y neutralización de cargas……………………………………………………………….8
ix
2.2.3. Atrapamiento de partículas en un precipitado .................................................. 10
2.2.4. Adsorción y puente .......................................................................................... 11
2.3. COAGULANTES MAS UTILIZADOS……………………………………………………………..12
2.4. CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS…………………………….14
2.4.1. Sulfato de aluminio Al2(SO4)3.......................................................................... 14
2.4.2. Cloruro férrico FeCl3 ....................................................................................... 15
2.4.3. Sulfato férrico Fe2 (SO4)3 ................................................................................. 18
2.5. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COAGULACIÓN…………………………………19
2.5.1. Influencia del pH. ............................................................................................. 19
2.5.2. Influencia de sales disueltas ............................................................................. 20
2.5.3. Influencia de la temperatura del agua .............................................................. 20
2.5.4. Influencia de las dosis de coagulante ............................................................... 21
2.5.5. Influencia de la mezcla .................................................................................... 22
2.5.5.1. Tipos de mezcla rápida…………………………………………………………………………22
2.5.5.2. Ventajas y desventajas de los mezcladores hidráulicos y mecánicos…….24
2.5.5.3. Gradiente de Velocidad………………………………………………………………………..24
2.5.6. Influencia de la turbiedad. ................................................................................ 25
2.6. SISTEMAS DE APLICACIÓN DE COAGULANTES……………………………………….26
2.6.1. Observación de las condiciones de mezcla del coagulante con el agua ........... 27
2.6.2. Tipos de dosificadores ..................................................................................... 28
2.6.2.1. Dosificadores en seco…………………………………………………………………………..28
2.6.2.1.1. Dosificadores en seco de tipo gravimétrico………………………………………28
2.6.2.1.2. Dosificadores en seco de tipo volumétrico……………………………………….31
2.6.2.2. Dosificadores en solución…………………………………………………………………….33
2.6.2.2.1. Dispositivos medidores volumétricos……………………………………………….33
2.6.2.2.2. Medidores de velocidad……………………………………………………………………33
2.7. TIPOS DE COAGULACIÓN……………………………………………………...36
2.8. CLASIFICACIÓN DEL AGUA COMPORTAMIENTO EN COAGULACIÓN...38
x
CAPÍTULO III……………………………………………………………………………………………………………..42
3. MARCO METODOLÓGICO………………………………………………………………………………42
3.1. Consideraciones previas del sistema de dosificador de coagulante……………………….42
3.2. Criterios de selección…………………………………………………………………………………………..43
3.2.1. Funcionabilidad ................................................................................................ 43
3.2.2. Seguridad ......................................................................................................... 44
3.2.3. Energía ............................................................................................................. 45
3.2.4. Posibilidad de construcción ............................................................................. 46
3.2.5. Compatibilidad ................................................................................................. 48
3.2.6. Operatividad ..................................................................................................... 49
3.2.7. Protección del compuesto ................................................................................ 49
3.2.8. Mantenimiento ................................................................................................. 50
3.2.9. Vida útil ........................................................................................................... 51
3.2.10. Costos ............................................................................................................... 52
3.2.11. Residuos ........................................................................................................... 53
3.2.12. Estética ............................................................................................................. 54
3.2.13. Ergonomía ........................................................................................................ 55
3.2.14. Tamaño ............................................................................................................ 55
3.3. Matrices de selección…………………………………………………………………………………………..55
3.3.1. Matrices de comparación del coagulante a utilizarse ....................................... 58
3.4. Decisión de alternativa seleccionada…………………………………………………………………….60
3.5. Diseño de detalle………………………………………………………………………………………………….61
CAPÍTULO IV…………………………………………………………………………………………………………….63
4. DISEÑO DEL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN………………………………………………….63
4.1.1. Tamaño de la Planta. – ..................................................................................... 63
4.1.2. Caudal de diseño de la Planta. - ....................................................................... 63
4.1.3. Tipo de fabricación. - ....................................................................................... 64
4.1.4. Periodo de funcionamiento. - ........................................................................... 64
xi
4.1.5. Histograma de turbiedad (Turbiedad máxima y Turbiedad mínima). - ........... 64
4.1.6. Concentración de coagulante. - ........................................................................ 64
4.1.7. Rango de dosificación (Dm-DM (mg/L)). - ..................................................... 65
4.1.8. Período de almacenamiento T (días o meses). - ............................................... 65
4.1.9. Peso específico del material por dosificar (δ, kg/m3). - ................................... 65
4.2. Sistema de dosificación de coagulante………………………………………………………………….66
4.2.1. Criterio físico de dimensionamiento del depósito de sustancias químicas ...... 66
4.2.1.1. Ubicación ......................................................................................................... 66
4.2.1.2. Criterios para el dimensionamiento ................................................................. 67
4.2.2. Criterio químico ............................................................................................... 69
4.3. Cálculo del almacenamiento del coagulante…………………………………………………………70
4.3.1. Dimensión del depósito de sulfato de aluminio ............................................... 70
4.3.2. Cálculo del sistema de dosificación en solución .............................................. 76
4.3.3. Proceso de cálculo ............................................................................................ 77
4.3.4. Diagrama de flujo del proceso de cálculo del sistema de dosificación ............ 87
CAPÍTULO V………………………………………………………………………………………………………………89
5. FACTIBILIDAD DE LA PROPUESTA………………………………………………………………89
5.1. Resumen final del diseño del sistema de dosificación del coagulante…………………..89
5.2. Selección de materiales para la construcción del sistema…………………………………..…90
5.2.1. Construcción y calibración del equipo dosificador…………………………..91
5.2.1.1. Accesorios y especificaciones………………………………………………..91
5.2.1.2. Funcionamiento…………………………………………………………………………………………..93
5.3. Presupuesto referencial de la construcción del proyecto………………………………………94
5.4. Cronograma de ejecución del proyecto………………………………………………………………..95
5.5. Control del sistema………………………………………………………………………………………………96
CAPÍTULO VI…………………………………………………………………………………………………………….97
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………………………………………97
6.1. Conclusiones……………………………………………………………………………………………………….97
xii
6.2. Recomendaciones ...................................................................................................... 97
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 99
DOCUMENTOS ANEXOS.............................................................................................. 101
ANEXO 1. ........................................................................................................................ 102
Ficha técnica del coagulante de sulfato de aluminio ......................................................... 102
ANEXO 2 ......................................................................................................................... 110
Sistemas integrales de dosificación de químicos .............................................................. 110
ANEXO 3. ........................................................................................................................ 119
Pruebas de Jarras para encontrar la dosis optima de coagulante. ...................................... 119
ANEXO 4 ......................................................................................................................... 122
Acero inoxidable AISI 304 ............................................................................................... 122
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura N°1. Coagulación ........................................................................................... 4
Figura N°2. Coagulación-Floculación....................................................................... 6
Figura N°3. Proceso de floculación........................................................................... 6
Figura N°4. Fuerzas de atracción y repulsión ........................................................... 7
Figura N°5. Curvas esquemáticas de coagulación para varios tipos de coagulación 9
Figura N°6. Reestabilización de las partículas ........................................................ 10
Figura N°7. Atrapamiento de las partículas en un floc ........................................... 11
Figura N° 8. Efecto de puente de las partículas en suspensión ............................... 12
Figura N°9. Unidades de mezcla mecánica retromezclador ................................... 23
Figura N°10. Unidad de mezcla resalto hidráulico canal parshall .......................... 23
Figura N°11. Vertedero rectangular ........................................................................ 24
Figura N°12. Condiciones de la mezcla .................................................................. 27
Figura N°13. Gravimétrico de correa transportadora .............................................. 30
Figura N°14. Dosificador gravimétrico tipo pérdida de peso ................................. 31
Figura N°15. Dosificador volumétrico de tornillo giratorio ................................... 32
Figura N°16. Dosificador de orificio de carga constante ........................................ 34
Figura N°17. Esquema de dosificador tipo venturi ................................................. 35
Figura N°18. Coagulación por adsorción ................................................................ 37
Figura N°19. Coagulación por barrido .................................................................... 37
Figura N°20. Clasificación del agua según el comportamiento de la coagulación . 39
Figura N°21. Diagrama de remoción de turbiedad ................................................. 40
Figura N°22. Remoción de turbiedad con sulfato de aluminio ............................... 41
Figura N°23. Dosificador tipo volumétrico pérdida de peso .................................. 54
Figura N°24. Dosificador tipo volumétrico garganta oscilante............................... 54
xiv
Figura N°25. Esquema del sistema de dosificación ............................................... 62
Figura N°26. Modelo de curva de dosificación de coagulante ............................... 65
Figura N°27. Espacio de la Planta potabilizadora en el laboratorio de hidráulica .. 67
Figura N°28. Tanques de plástico reforzados con fibra de vidrio ........................... 69
Figura N°29. Esquema del almacenamiento en bodega del sulfato de aluminio .... 73
Figura N°30. Sitio propuesto para área de almacenamiento ................................... 74
Figura N°31. Esquema del cubeto ........................................................................... 75
Figura N°32. Superficie de hormigón del cubeto .................................................... 76
Figura N°33. Representación del sistema de dosificación ...................................... 88
Figura N°34. Dimensiones del dosificador ............................................................. 91
Figura N°35. Esquema del equipo dosificador vista lateral .................................... 93
Figura N°36. Accesorios del tanque dosificador ..................................................... 93
xv
LISTA DE TABLAS
Tabla N° 1. Reacciones de sulfato de aluminio con la alcalinidad del agua ........... 13
Tabla N° 2. Características generales y físicas del sulfato de aluminio .................. 15
Tabla N° 3. Ventajas y desventajas del sulfato de aluminio ................................... 15
Tabla N° 4. Características generales y físicas del cloruro férrico ......................... 17
Tabla N° 5. Ventajas y desventajas del cloruro férrico ........................................... 17
Tabla N° 6. Datos generales del sulfato férrico ...................................................... 18
Tabla N° 7. Ventajas y desventajas del sulfato férrico ........................................... 19
Tabla N° 8. Ejemplo de variación de dosis de coagulante ..................................... 22
Tabla N° 9. Clasificación del agua según el comportamiento de la coagulación ... 38
Tabla N° 10. Clasificación de los sistemas de dosificación por su funcionalidad .. 44
Tabla N° 11. Clasificación de los sistemas de dosificación por su seguridad ........ 45
Tabla N° 12. Clasificación de los sistemas de dosificación enerrgía empleada ...... 46
Tabla N° 13. Clasificación de los sistemas de dosificación por construcción ........ 47
Tabla N° 14. Clasificación de los sistemas de dosificación compatibilidad ........... 48
Tabla N° 15. Clasificación de los sistemas de dosificación por su operatividad .... 49
Tabla N° 16. Clasificación de los sistemas de dosificación por almacenamiento ... 50
Tabla N° 17. Clasificación de los sistemas de dosificación por su mantenimiento 51
Tabla N° 18. Clasificación de los sistemas de dosificación por su mantenimiento 52
Tabla N° 19. Clasificación de los sistemas de dosificación por su costo ................ 53
Tabla N° 20. Escala de evaluación .......................................................................... 55
Tabla N° 21. Prototipo de una matriz de decisión ................................................... 56
Tabla N° 22. Matriz de valoración de dosificadores ............................................... 57
Tabla N° 23. Cuadro de valoración del coagulante cloruro férrico ........................ 58
Tabla N° 24. Cuadro de valoración del coagulante sulfato de aluminio ................. 58
xvi
Tabla N° 25. Cuadro de valoración del coagulante sulfato férrico ......................... 59
Tabla N° 26. Calificación del sistema de dosificación seleccionado ...................... 60
Tabla N° 27. Calificación del compuesto químico seleccionado ............................ 61
Tabla N° 28. Resultados del cálculo del dosificador .............................................. 83
Tabla N° 29. Selección de capacidad del dosificador por gravedad ....................... 84
Tabla N° 30. Procedimiento de cálculos de un sistema de dosificación ................ 85
Tabla N° 31. Consideraciones previas para el sistema de dosificación .................. 89
Tabla N° 32. Lista de materiales por utilizar .......................................................... 90
Tabla N° 33. Presupuesto referencial de construcción ............................................ 94
Tabla N° 34. Cronograma valorado de trabajos ...................................................... 95
xvii
LISTA DE FOTOGRAFIAS
Fotografía N° 1. Sulfato de aluminio ...................................................................... 14
Fotografía N° 2. Cloruro férrico .............................................................................. 16
Fotografía N° 3. Dosificador gravimétrico ............................................................. 29
Fotografía N° 4. Dosificador tipo volumétrico ....................................................... 32
Fotografía N° 5. Dosificador tipo venturi ............................................................... 35
Fotografía N° 6. Dosificador tipo rotámetro para flujo de líquidos ........................ 36
xviii
RESUMEN
DISEÑO DEL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN DE COAGULANTE EMPLEADO EN
LA PLANTA DE POTABILIZACIÓN DE AGUA DENTRO DEL LABORATORIO DE
INGENIERIA HIDRAULICA EN LA UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
Autor: Raisa Cristina Vera Medina
Tutor: Freddy Paul Muñoz Tobar M.Sc.
El presente trabajo desarrolla el diseño de un sistema de dosificación de
coagulante, implementado en la Planta potabilizadora dentro del Laboratorio de
Hidráulica de la Universidad Central del Ecuador. Para el diseño se determinó las
principales características de la coagulación, sus definiciones, clasificación, derivados,
además del análisis del sistema de dosificación más acorde en cuanto a la
funcionabilidad, seguridad, economía, vida útil, operatividad, entre otros. El
coagulante a utilizarse es el sulfato de aluminio en solución al 2%, después de un
análisis comparativo entre varios coagulantes disponibles en el mercado, esta
propuesta contiene un diseño de detalle, materiales, presupuesto referencial y
cronograma del sistema de dosificación. El diseño plantea la ubicación en la Planta
potabilizadora en el ingreso al floculador, dentro de las instalaciones del Laboratorio
de Hidráulica.
DESCRIPTORES:
COAGULACIÓN / CLASIFICACIÓN DE DOSIFICADORES / SULFATO DE
ALUMINIO / TURBIEDAD / COLOR/ pH / SOLUBILIDAD / DOSIFICADOR DE
ORIFICIO DE CARGA CONSTANTE REGULABLE /
xix
ABSTRACT
DESIGN OF THE SYSTEM OF DOSAGE OF COAGULANT USED IN THE
PLANT OF WATER PURIFICATION INSIDE THE LABORATORY OF
HYDRAULIC ENGINEERING IN THE CENTRAL UNIVERSITY OF THE
ECUADOR
Author: Raisa Cristina Vera Medina
Tutor: Freddy Paul Muñoz Tobar M.Sc.
The present work develops the design of a system of dosage of coagulant,
implemented in the Water-treatment plant inside the Laboratory of Hydraulics of the
Central University of the Ecuador. For the design one determined the main
characteristics of the coagulation, its definitions, classification, derivatives, in addition
to the analysis of the system of more identical dosage as for the functionality, safety,
economy, useful life, operation capacity, between others. The coagulant to be used is
the aluminum sulfate in solution to 2 %, after a comparative analysis between several
available coagulants on the market, this proposal contains a design of detail, materials,
referential budget and timetable of the system of dosage. The design raises the place
in the Water-treatment plant in the revenue into the flocculator, inside the facilities of
the Laboratory of Hydraulics.
DESCRIPTORS:
COAGULATION / CLASSIFICATION OF DISPENSERS / SULFATE OF
ALUMINUM / TURBIDITY / COLOR / pH / SOLUBILITY / DISPENSER OF
ORIFICE OF ADJUSTABLE CONSTANT LOAD /
I CERTIFY that the above and foregoing is a true and correct translation of the original
document in Spanish.
Certified Translator
REG. SENECYT: 1005-06-686018
1
CAPÍTULO I
1. INTRODUCCIÓN
1.1. ANTECEDENTES
Fleitas R.; Jorge T. (2010) afirma que “el agua representa un símbolo de vida,
que abarca más de tres cuartas partes de la superficie terrestre y constituye más del
60% del cuerpo humano. Es esencial para el desarrollo de las personas y vital para su
supervivencia”. (p.15)
Diariamente se debe ingerir una cierta cantidad de agua, pero no de cualquier tipo,
debe ser potable para evitar contraer enfermedades al consumirla. Esta condición se
obtiene cuando se somete el agua cruda a un proceso de potabilización, en el
cual se eliminan sólidos en suspensión, microorganismos patógenos, coloidales, sabor,
olor, color, entre otros.
Dentro de las tecnologías que existen para la potabilización del agua, la de uso más
común está basada en los siguientes procesos: aireación, coagulación-floculación,
sedimentación, filtrado y desinfección. Durante la coagulación se dosifica Sulfato de
Aluminio [Al2 (SO4)3] para formar los flóculos, es decir, agregados de arcillas y
partículas orgánicas entre otros.
Para garantizar que cada proceso se lleve a cabo de forma eficiente, es
necesario controlar la forma, cantidad y tiempo en que se agrega el
coagulante químico, razón por la cual se utilizan dosificadores que regulen
estos factores. Cada dosificador debe ser capaz de manejar el compuesto
correspondiente, considerando sus características fisicoquímicas y dosis
requerida. Es por esta razón que existen diversos tipos y diseños entre los
cuales se pueden encontrar: volumétricos, tornillo sinfín, gravimétricos,
pistón, isobáricos, entre otros. (Fleitas R., 2010, p.1)
A pesar de existir una gran variedad de dosificadores en el mercado, no todos
se pueden instalar en los sistemas de potabilización debido a que estos
sistemas son diseñados para condiciones especiales de calidad de agua,
ubicación de la fuente, tipo de comunidad, número de habitantes, modo de
funcionamiento, entre otros. Es decir, no existe un sistema de potabilización
universal o estándar. En consecuencia, el dosificador a instalar debe adaptarse
2
a los requerimientos de los procesos y unidades en las cuales serán
incorporados. (Fleitas R., 2010, p.1)
1.2. IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
La mayoría de los dosificadores empleados en Plantas de Potabilización de
agua operan en ambientes controlados, bajo el mando de personal calificado, con
circulación de agua continua y con unidades de tratamiento de gran tamaño.
Para el caso del sistema de potabilización de la Planta de Agua Potable del Laboratorio
de Hidráulica, no existe la posibilidad de operación previa, debido a que no se
encuentra en operación dicha Planta. Actualmente no existe ningún tipo de dosificador
instalado. Antiguamente, cuando estaba en operación, no se aplicaba ningún tipo de
coagulante; por lo tanto, se requiere que el diseño del dosificador se adapte a estas
condiciones y se adicionen las cantidades del compuesto químico correspondiente.
Esta propuesta plantea la realización por cargas o movimientos de agua, en ambientes
controlados, expuestos a situaciones climáticas donde exista muy baja u alta
temperatura, además de humedad, con operadores no calificados y en pequeñas
unidades de tratamiento.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema de dosificación de coagulante a emplearse en la Planta de
Potabilización de agua dentro del Laboratorio de Ingeniería Hidráulica, de la
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática en la Universidad
Central del Ecuador.
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Seleccionar el tipo de sistema de dosificación y el compuesto químico
(coagulante) a implementarse en la Planta Potabilizadora de agua.
Definir los parámetros básicos previos al dimensionamiento del dosificador.
Diseñar los componentes que conforman el dosificador para el coagulante
químico.
3
Seleccionar un sistema de mezclado (Coagulante + Agua) y adaptarlo al
dosificador de solución para la solubilización compuesto químico.
1.4. ALCANCE DEL PROYECTO DE GRADUACIÓN
Esta propuesta abarca el estudio de los dosificadores de productos químicos en
la operación de Plantas de Tratamiento, tomando en cuenta detalles propios de las
mismas, características, entre otros.
En la realización de este trabajo de investigación se dispone de una Planta de
Tratamiento ya construida, la cual no dispone de dosificadores. Esta propuesta se lleva
a cabo con la elaboración del diseño del sistema de dosificación del coagulante que
depende de la situación actual en que se encuentra la Planta y en función de la
disponibilidad económica de los beneficiarios.
El diseño contará con planos, especificaciones de materiales, además de proponer
medidas de factibilidad a futuro de la puesta en obra del proyecto, tales como
presupuesto referencial y cronograma que posteriormente, pueden ser actualizados.
El sistema de dosificación de coagulante será diseñado tomando en cuenta las
limitaciones de la Planta en la actualidad. Será diseñada en función de varios
condicionantes que están tomados en cuenta previamente, como son caudal, selección
de compuesto químico, eficiencias, normativas vigentes, etc.
Debido a los requerimientos del Laboratorio de Hidráulica, este diseño será un aporte
al espacio reducido con el que cuenta actualmente la Planta, además de servir para
posteriores usos en la dosificación de otros compuestos químicos, además de poder
ser utilizada en otras unidades de tratamiento de cualquier Planta Potabilizadora.
4
CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO
2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE COAGULACIÓN-
FLOCULACIÓN
La coagulación es un proceso complejo que consiste en la desestabilización y
posterior agrupamiento de partículas, que debido a sus características no
podrían sedimentar por su propio peso y requerirían tiempos excesivamente
largos para su decantación, o por su tamaño no sería factible separarlas por
filtración, por ello la finalidad es aumentar el peso de dichas partículas y
facilitar su asentamiento. (Alberdi, 2001, p.22)
El proceso de coagulación empieza en el instante donde se agregan los coagulantes al
agua y es instantáneo. En conjunto, es una serie de reacciones físicas y químicas
producidas por los coagulantes, de acuerdo a la alcalinidad del agua, la estructura de
las partículas, y el agua en sí. La floculación es el proceso en donde las partículas
desestabilizadas por la coagulación, chocan unas con otras para formar conglomerados
mayores, a los que se llaman flocs.
Figura N°1. Coagulación
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
5
Arboleda (2000) reitera que este proceso sirve para:
a. “Remoción de turbiedad orgánica e inorgánica que no puede sedimentar
rápidamente.
b. Remoción de color verdadero y aparente.
c. Eliminación de bacterias, virus y organismos patógenos susceptibles de ser
separados por coagulación.
d. Destrucción de algas y plancton en general.
e. Eliminación de substancias productoras de sabor y olor en algunos casos y
de precipitados químicos suspendidos o compuestos orgánicos entre
otros.” (p.30)
Un buen proceso de coagulación se obtiene mediante la rapidez y el esparcimiento
completo de las sustancias químicas. La floculación lenta permite a los flóculos
pequeños unirse entre ellos para aumentar tamaño. Es necesario para obtener una
coagulación exitosa cumplir con ciertos parámetros.
a. Coagulante en cantidades adecuadas.
b. Óptimos valores de pH.
c. Mezcla rápida del coagulante con el agua.
d. Un proceso lento de agitación para incitar a las partículas más pequeñas a
adherirse entre ellas.
Uno de los limitantes de la coagulación es la cantidad de alcalinidad presente en el
agua al reaccionar con el sulfato de aluminio para formar los flóculos. Si la alcalinidad
natural del agua cruda es insuficiente, es necesario agregar compuestos alcalinos
como: Cal (Hidróxido de calcio), Sosa Caustica o Carbonato de Sodio (Hidróxido de
sodio).
El proceso de coagulación mal realizado produce una degradación de la calidad del
agua, además de representar un gasto de operación cuando no está bien realizado. Por
lo tanto, se considera que la dosis del coagulante condiciona el funcionamiento de las
unidades de decantación y que es imposible realizar una clarificación, si la cantidad
de coagulante está mal ajustada.
6
Figura N°2. Coagulación-Floculación
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
Figura N°3. Proceso de floculación
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ARBOLEDA, 2000
7
2.2. MECANISMOS DE LA COAGULACIÓN
La desestabilización se puede producir por los siguientes mecanismos físico-químicos:
Compresión de la doble capa.
Adsorción y Neutralización de Cargas
Atrapamiento de partículas en un precipitado
Adsorción y puente
2.2.1. Compresión de la doble capa
Andía Cárdenas (2000) explica que cuando se aproximan dos partículas
semejantes, sus capas difusas interactúan y generan una fuerza de repulsión,
cuyo potencial de repulsión está en función de la distancia que los separa y
cae rápidamente con el incremento de iones de carga opuesta al de las
partículas, esto se consigue sólo con los iones del coagulante. (p.188)
Existe por otro lado un potencial de atracción o fuerzas de atracción Ea, entre
las partículas llamadas fuerzas de Van der Walls, que dependen de los átomos
que constituyen las partículas y de la densidad de estos últimos.
Contrariamente a las Fuerzas de repulsión, las fuerzas de Van der Walls no
son afectados por las características de la solución. (Andía Cárdenas, 2000,
p.188) (Ver fig, 4)
Figura N°4. Fuerzas de atracción y repulsión
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
8
Andía Cárdenas (2000) manifiesta que cuando la distancia de separación de las
partículas es mayor a “L”, las partículas no se atraen siendo E la energía que los separa.
(p.189)
2.2.2. Adsorción y neutralización de cargas
Andía Cárdenas, (2000) expone que “las partículas coloidales poseen carga
negativa en su superficie, estas cargas llamadas primarias atraen los iones positivos
que se encuentran en solución dentro del agua y forman la primera capa adherida al
coloide” (p. 190)
El potencial en la superficie del plano de cizallamiento es el potencial electrocinético
– potencial ZETA, este potencial rige el desplazamiento de coloides y su interacción
mutua.
Después de la teoría de la doble capa la coagulación es la considerada como
la anulación del potencial obtenido por adición de productos de coagulación
– floculación, en la que la fuerza natural de mezcla debido al movimiento
browniano no es suficiente requiriéndose una energía complementaria
necesaria; por ejemplo, realizar la agitación mecánica o hidráulica. (Andía
Cárdenas, 2000, p.190)
Cuando se adiciona un exceso de coagulante al agua a tratar, se produce a la
reestabilización de la carga de la partícula; esto se puede explicar debido a
que los excesos de coagulante son absorbidos en la superficie de la partícula,
produciendo una carga invertida a la carga original. Este proceso consiste en
diversas interacciones que se producen al combinarse el coagulante-coloide,
coagulante-solvente y coloide-solvente. Este efecto de adsorción y
neutralización está íntimamente relacionado con el de compresión a doble
capa. (Andía Cárdenas, 2000, p.190)
Un claro modelo de desestabilización en medio de la adherencia y
neutralización de las cargas es el proceso de coagulación del yoduro de plata con carga
negativa por medio de iones orgánicos de dodecilamonio (C12H25NH3+). La siguiente
figura muestra las curvas esquemáticas basadas en un trabajo experimental que se
indica a continuación.
9
Figura N°5. Curvas esquemáticas de coagulación para varios tipos de coagulación
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: BARRENCHENA MARTEL ADA, 2000
Los iones de dodecilamonio tienen carga +1, es por esto que son capaces de
inducir un proceso de coagulación muy parecido Al sodio Na+ (figura 5 [a]). Existen
diferencias sustanciales entre ambos, una de ellas es que los iones de sodio producen
la coagulación en concentraciones elevadas y no prácticas (mayores a 10-1 moles/L)
mientras que los iones de dodecilamonio producen la desestabilización en
concentraciones muy bajas 6 x 10-5 moles/L y la reestabilización con dosis de
coagulante mayores de 4 x10-4 moles/L. Los iones de dodecilamonio (amina orgánica
C2H25NH3+) (figura 5 [b]) son sustancias activas en su superficie coloidal, es decir,
pertenece al grupo –CH2 en las cadenas alifáticas de la molécula, no interactúan con
el agua y, es por ello, que están fuera de la solución y entre las partículas coloidales al
contrario del sodio que, si interactúa con el agua, por lo tanto, no cuenta con una
superficie activa.
La figura 5 [c] muestra el efecto de la adsorción en los coloides. La coagulación con
sales de aluminio se realiza tanto para dosis bajas (6 x 10-6 moles/L ó 4mg/L de
alumbre) como altas (4 x 10-5 moles/L ó 25 mg/L de alumbre), existe reversión,
posteriormente con dosis más altas se observa coagulación.
10
En definitiva, la figura 5 [b] representa las interacciones coagulante-solvente
(amina-agua) encargados de la adsorción de la adsorción del coagulante en la interfaz
coloide-agua. Para las especies hidrolizadas de aluminio y hierro o de polímeros
sintéticos catiónicos, es muy usual que la interacción entre coagulante y coloide. En
las curvas de las siguientes figuras 5 (b,c,d)
En la siguiente figura se muestra como el exceso de coagulante aplicado en el agua a
tratar produce una reestabilización de las partículas, es decir, el exceso de coagulante
es absorbido en la superficie de la partícula, produciendo una carga invertida a la
original.
Figura N°6. Reestabilización de las partículas
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
2.2.3. Atrapamiento de partículas en un precipitado
Andía Cárdenas (2000) explica que “las partículas coloidales
desestabilizadas, se pueden atrapar dentro de un floc, cuando se
adiciona una cantidad suficiente de coagulantes, habitualmente sales de
metales trivalente como el sulfato de aluminio Al2(SO4)3, o cloruro
férrico FeCl3, el floc está formado de moléculas de Al(OH)3 o de Fe
(OH)3”. (p.192)
La presencia de ciertos aniones y de las partículas coloidales acelera la
formación del precipitado. Las partículas coloidales juegan el rol de anillo durante la
formación del floc; este fenómeno puede tener una relación inversa entre la turbiedad
11
y la cantidad de coagulante requerida. En otras palabras, una concentración importante
de partículas en suspensión puede requerir menor cantidad de coagulante.
Figura N°7. Atrapamiento de las partículas en un floc
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
2.2.4. Adsorción y puente
Andía Cárdenas (2000) afirma que, en cualquier caso, se obtiene el
tratamiento más económico utilizando un polímero aniónico, cuando las
partículas están cargadas negativamente. Este fenómeno es explicado por la
teoría del “puente”. Las moléculas del polímero muy largas contienen grupos
químicos que pueden absorber las partículas coloidales. La molécula de
polímero puede así absorber una partícula coloidal en una de sus
extremidades, mientras que los otros sitios son libres para absorber otras
partículas. (p.192)
“Por eso se dice que las moléculas de los polímeros forman el “puente” entre
las partículas coloidales. Esto puede tener una reestabilización de la suspensión, por
una excesiva carga de polímeros.” (Andía Cárdenas, 2000, p.192)
La Mer y Healy (1963); Samuel y La Mer, (1958) describen que los polímeros
con carga negativa son efectivos para coagular los coloides con carga negativa,
fenómeno que no puede ser explicado de acuerdo con modelos basados en la
neutralización de cargas sino solo desarrollando la teoría del “puente.” (p.77)
La figura N°8 describe gráficamente la teoría del “puente”
12
Figura N° 8. Efecto de puente de las partículas en suspensión
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
2.3. COAGULANTES MAS UTILIZADOS.
Los coagulantes son productos químicos que al adicionar al agua son capaces
de producir una reacción química con los componentes químicos del agua,
especialmente con la alcalinidad del agua para formar un precipitado voluminoso, muy
absorbente, constituido generalmente por el hidróxido metálico del coagulante que se
está utilizando.
Los principales coagulantes utilizados para desestabilizar las partículas y
producir flóculos son:
Sulfato de aluminio.
Aluminato de sodio.
Cloruro de aluminio.
Cloruro férrico.
Sulfato férrico.
Sulfato ferroso.
Polielectrolitos (ayudantes de floculación).
13
Históricamente las sales de hierro y aluminio son los coagulantes metálicos más
utilizados, tienen la ventaja de actuar como coagulante-floculante al mismo tiempo y
reaccionan con el agua produciendo reacciones muy complejas como hidróxidos de
aluminio ó hierro, que son insolubles y forman precipitados.
Las sales de hierro y aluminio tienen el inconveniente de ser muy sensibles a un
cambio de pH, si este no está dentro de los parámetros permitidos, la coagulación es
muy baja y se puede solubilizar Fe ó Al y generar problemas.
“Alcalinidad.- Es un método de análisis, con el que se determina el contenido
de bicarbonatos (HCO3)- carbonatos (CO3)-2 e hidróxidos de un agua natural o tratada.
La alcalinidad tiene relación con el pH del agua.” (Andía Cárdenas,2000, p.213)
En la tabla N°1 se muestran las principales reacciones del sulfato de aluminio con la
alcalinidad del agua:
Tabla N° 1. Reacciones de sulfato de aluminio con la alcalinidad del agua
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
SULFATO DE
ALUMINIO
COMPUESTO
S ALCALINOS REACCIÓNES
Floc.
Al2(SO4)3 . 14 H2O + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 + 14H2O
Floc.
Al2(SO4)3 . 14 H2O + 6Na HCO3 2Al(OH)3 + 3NaSO4 + 6 CO2 + 14 H2O
Floc.
Al2(SO4)3 . 14 H2O + 3Na CO3 2 Al(OH)3 + 3NaSO4 + 3 CO2 + 14 H2O
Floc.
Al2(SO4)3 . 14 H2O + 3NaOH 2 Al(OH)3 + 3Na2SO4 + 14 H2O
14
2.4. CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPUESTOS QUÍMICOS
La mayoría de los compuestos químicos presentan ciertas características
propias de cada uno, su comercialización, usos y accesibilidad económica es lo que
provoca su utilización en el mercado.
2.4.1. Sulfato de aluminio Al2(SO4)3
Es un cristal de color marfil, ordinariamente hidratado, que con el
almacenaje suele convertirse en terrones relativamente duros. Al
agregarlo al agua reacciona con la alcalinidad, para formar Hidróxido
de Aluminio. Se utiliza como coagulante metálico para formar flocs
ligeramente pesados. Es el coagulante mayormente utilizado en Plantas
de Potabilización de agua debido a su bajo costo y su manejo
relativamente sencillo. (Arboleda, 2000, p.56)
Fotografía N° 1. Sulfato de aluminio
Fuente: AIDIS, CAP. HONDURAS, 2006
El sulfato de aluminio presenta las siguientes características principales que se
muestran en la siguiente tabla informativa.
15
Tabla N° 2. Características generales y físicas del sulfato de aluminio
Coagulante: Sulfato de Aluminio
Nombre Comercial Alumbre
Nombre Químico Sulfato de Aluminio
Fórmula Al2(SO4)3
Propiedades físicas
Densidad real 2.7 g/cm3
Densidad aparente 1 g/cm3
Solubilidad en el agua 790g/1000 cm3 a 30°C
Higroscopia Media
Presentación comercial Cristales Blancos o pardos
Inflamabilidad Ninguna
pH óptima de la solución 5.6
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS JORGE, 2010
Tabla N° 3. Ventajas y desventajas del sulfato de aluminio
Ventajas: Desventajas
Disponibilidad inmediata
Bajo costo
Sirve para diferentes tipos
de agua
Generación de lodos
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS JORGE, 2010
2.4.2. Cloruro férrico FeCl3
Se presenta en forma sólida o líquida; esta última es la más utilizada en el
tratamiento del agua.
16
Canepa de Vargas (2005) indica que “la forma sólida es cristalina, de color
pardo, delicuescente, de fórmula teórica FeCl3 .6 H2O. Se funde fácilmente en su agua
de cristalización a 34 °C, por lo que es necesario protegerla del calor.” (p.26)
La forma líquida comercial tiene un promedio de 40% de FeCl3. Para evitar toda
confusión entre los contenidos de producto puro o de producto comercial, es
recomendable expresar la dosis de coagulantes en hierro (Fe) equivalente; es decir,
20,5% para la fórmula sólida y 14% aproximadamente para la solución acuosa
comercial.
En presencia de hierro, las soluciones acuosas de cloruro férrico se reducen
rápidamente a cloruro ferroso FeCl2. Esta reacción explica su gran poder
corrosivo frente al acero, y la necesidad de seleccionar adecuadamente el
material de los recipientes de almacenamiento, de preparación y de
distribución. (Canepa de Vargas, 2005, p.25)
El cloruro férrico presenta las siguientes características principales que se muestran en
la siguiente tabla informativa.
Fotografía N° 2. Cloruro férrico
Fuente: AIDIS, CAP. HONDURAS, 2006
17
Tabla N° 4. Características generales y físicas del cloruro férrico
Coagulante: Cloruro férrico
Nombre Comercial Cloruro férrico
Nombre Químico Cloruro férrico
Fórmula FeCl3
Propiedades físicas
Densidad real 1.82 g/cm3
Densidad aparente 1 g/cm3
Solubilidad en el agua 800g/1000 cm3 a 20°C
Higroscopia Media
Presentación comercial Cristales Amarillos o pardos
Inflamabilidad Ninguna
pH óptima de la solución No reportado
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS JORGE, 2010; AIDIS, Cap. Honduras, 2006
Tabla N° 5. Ventajas y desventajas del cloruro férrico
Ventajas: Desventajas
Disponibilidad inmediata
Bajo costo
Alta velocidad de reacción
El rango bajo de pH 3.5 – 7.0 es superior en
la remoción de sustancias orgánicas, bacteria y
plankton
El rango alto de pH 8.0-0.5 es usado para la
remoción de Hierro y Manganeso
No hay problemas con el Aluminio residual
Muchas veces eficiente sin ayudante de
floculación (polímero)
El producto requiere un mejor diseño de
proceso que el Alum o PAC.
Problemas en el proceso pueden causar un
color y precipitación en el agua tratada
La dosis de Hierro es mayor a la dosis de
Aluminio (el peso molecular de Hierro es
mayor)
Muy corrosivo para manejar y almacenar
Comercialmente disponible solo en
presentación líquida
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: AIDIS, Cap. Honduras, 2006
18
2.4.3. Sulfato férrico Fe2 (SO4)3
Canepa de Vargas (2005) afirma que “El sulfato férrico es un polvo blanco
verdoso, muy soluble en el agua, su masa volumétrica aparente es 1.000 kg/m3. Debido
a que en solución acuosa se hidroliza y forma ácido sulfúrico, es necesario prevenir
los efectos de su acidez”. (p.26)
Tabla N° 6. Datos generales del sulfato férrico
Coagulante: Sulfato férrico
Nombre Comercial Sulfato férrico
Nombre Químico Sulfato férrico
Fórmula Fe2(SO4)3
Propiedades físicas
Densidad real 1.48 g/cm3
Densidad aparente 1.46 g/cm3
Solubilidad en el agua 100% soluble al agua
Higroscopia Media
Presentación comercial Liquido café verdoso oscuro
Inflamabilidad Ninguna
pH óptima de la solución 1.0 1.5
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS JORGE, 2010; AIDIS, Cap. Honduras, 2006
19
Tabla N° 7. Ventajas y desventajas del sulfato férrico
Ventajas: Desventajas
Es un coagulante de bajo costo
Alta velocidad de reacción
El rango bajo de pH 3.5 – 7.0 es
superior en la remoción de sustancias
orgánicas, bacteria y plankton.
El rango alto de pH 8.0-9.5 es usado
para la remoción de Hierro y Manganeso
No hay problemas con el Aluminio
residual
Muchas veces eficiente sin ayudante de
floculación (polímero)
El producto requiere un mejor diseño
de proceso que el Alum o PAC.
Problemas en el proceso pueden causar
un color y precipitación en el agua
tratada
La dosis de Hierro es mayor a la dosis
de Aluminio (el peso molecular de
Hierro es mayor)
El producto sólido necesita una muy
buena mezcla en la unidad de dilución
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: AIDIS, CAP. HONDURAS, 2006
2.5. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA COAGULACIÓN.
Para mejorar el proceso de coagulación es necesario revisar los siguientes
parámetros:
Potencial hidrógeno
Turbiedad
Sales disueltas
Temperatura del agua
Tipo de coagulante
Condiciones de la mezcla
Sistemas de aplicación de los coagulantes
Tipos de mezcla y color
2.5.1. Influencia del pH.
El pH es una medida de la actividad del ion hidrógeno en una solución, y es igual a:
pH = -log{H+}
20
Andía Cárdenas, (2000) manifiesta que el pH es la variable más importante a
tener en cuenta al momento de la coagulación, puesto que para cada calidad
de agua existe un rango de pH óptimo, es decir la coagulación toma un lugar
rápidamente en el proceso y depende de la naturaleza de los iones y de la
alcalinidad del agua. (p. 217)
El rango de pH es función del tipo de coagulante a ser utilizado y de la
naturaleza del agua a tratar; si la coagulación se realiza fuera del rango
de pH óptimo entonces se debe aumentar la cantidad del coagulante;
por lo tanto, la dosis requerida es alta. (Andía Cárdenas, 2000, p. 217)
“Para sales de aluminio el rango de pH para la coagulación es de 6.5 a 8.0 y
para las sales de hierro, el rango de pH óptimo es de 5.5 a 8.5 unidades.” (Andía
Cárdenas, 2000, p. 217)
El pH del caudal de entrada en las Plantas de Tratamiento sin tratamiento, oscila entre
7.5 a 8.2 unidades, y a la salida luego de todo el proceso de potabilización tiene un
promedio de 7.3 a 7.8 u.
2.5.2. Influencia de sales disueltas
Andía Cárdenas (2000) indica que “las sales contenidas dentro del agua ejercen
las influencias siguientes sobre la coagulación y floculación:” (p. 17)
Modificación del rango de pH óptimo.
Modificación del tiempo requerido para la floculación.
Modificación de la cantidad de coagulantes requeridos.
Modificación de la cantidad residual del coagulante dentro del efluente.
2.5.3. Influencia de la temperatura del agua
Andía Cárdenas (2000) explica que la variación de 1°C en la temperatura del
agua conduce a la formación de corrientes de densidad (variación de la
densidad del agua) de diferentes grados que afectan a la energía cinética de
21
las partículas en suspensión, por lo que la coagulación se hace más lenta;
temperaturas muy elevadas desfavorecen igualmente a la coagulación. (p.17)
“Una disminución de la temperatura del agua en una unidad de decantación
conlleva a un aumento de su viscosidad; esto explica las dificultades de la
sedimentación de un floc.” (Andía Cárdenas, 2000, p.17)
2.5.4. Influencia de las dosis de coagulante
Andía Cárdenas (2000) explica que la cantidad del coagulante a utilizar tiene
influencia directa en la eficiencia de la coagulación, así:
“Poca cantidad del coagulante, no neutraliza totalmente la carga de la partícula,
la formación de los microflóculos es muy escaso, por lo tanto, la turbiedad
residual es elevada.
Alta cantidad de coagulante produce la inversión de la carga de la partícula,
conduce a la formación de gran cantidad de microflóculos con tamaños muy
pequeños cuyas velocidades de sedimentación muy bajas, por lo tanto, la
turbiedad residual es igualmente elevada.
La selección del coagulante y la cantidad óptima de aplicación; se determina
mediante los ensayos de pruebas de jarras.” (p.17)
Andía Cárdenas (2000) indica que la selección del coagulante y la dosis juegan un rol
muy importante sobre:
La buena o mala calidad del agua clarificada.
El buen o mal funcionamiento de los decantadores.
Ejemplo:
Este indicativo (Tabla N°8) es un ejemplar de las variaciones de dosis de
coagulantes para dos tipos de agua con diferentes valores de pH y alcalinidad y se lo
muestra en la siguiente tabla (este proceso se lo determina con el ensayo de pruebas
de jarras).
To (turbiedad inicial) = 20 NTU
22
Tabla N° 8. Ejemplo de variación de dosis de coagulante para diferentes valores de pH
pH
Unidades
ALCALINIDAD
Dosis Op. FeCl3
Soluc.
Dosis Op.Al2(SO4)3
Soluc.
7.46 91 p.p.m CaCO3 14 p.p.m 26 p.p.m
7.29 85 p.p.m CaCO3 16 p.p.m 30 p.p.m
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: Andía Cárdenas, 2000
2.5.5. Influencia de la mezcla
El grado de agitación que se da a la masa de agua durante la adición del
coagulante, determina si la coagulación es completa; turbulencias desiguales
hacen que cierta porción de agua tenga mayor concentración de coagulantes
y la otra parte tenga poco o casi nada; la agitación debe ser uniforme e intensa
en toda la masa de agua, para asegurar que la mezcla entre el agua y el
coagulante haya sido bien hecha y que se haya producido la reacción química
de neutralización de cargas correspondiente. Andía Cárdenas, 2000, p.18)
Andía Cárdenas (2000) explica que, “en el transcurso de la coagulación y
floculación, se procede a la mezcla de productos químicos en dos etapas. En
la primera etapa, la mezcla es enérgica y de corta duración (60 seg., máx.)
llamado mezcla rápida; esta mezcla tiene por objeto dispersar la totalidad del
coagulante dentro del volumen del agua a tratar, y en la segunda etapa la
mezcla es lenta y tiene por objeto desarrollar los microflóculos.” (p.18)
“La mezcla rápida se efectúa para la inyección de productos químicos dentro
de la zona de fuerte turbulencia, una inadecuada mezcla rápida conlleva a un
incremento de productos químicos.” (Andía Cárdenas, 2000, p.18)
2.5.5.1.Tipos de mezcla rápida
Las unidades para producir la mezcla rápida pueden ser:
Mezcladores rápidos Mecánicos: -Retromezcladores (ver agitadores)
23
Mezcladores rápidos Hidráulicos: -Resalto Hidráulico: Canaleta Parshall y
Vertedero Rectangular
-En línea: Difusores (tuberías y canales)
Inyectores, etc.
Figura N°9. Unidades de mezcla mecánica retromezclador
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
Figura N°10. Unidad de mezcla resalto hidráulico canal parshall
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
24
Figura N°11. Vertedero rectangular
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
2.5.5.2.Ventajas y desventajas de los mezcladores hidráulicos y mecánicos
El gradiente de velocidad en un mezclador mecánico no varía con el caudal,
tiene la ventaja adicional de controlar el grado de agitación, haciendo variar
la velocidad de rotación del impulsor; sin embargo, tiene la limitante de
depender de la energía externa que una falla hace que el proceso de mezcla se
perjudique. (Andía Cárdenas, 2000, p.19)
“Los mezcladores hidráulicos se caracterizan por presentar poca flexibilidad a
las variaciones de caudal, no depende de una energía externa. Por lo general se utilizan
como mezcladores rápidos las canaletas parshall y vertederos.” (Andía Cárdenas,
2000, p.19)
2.5.5.3.Gradiente de Velocidad
En los procesos de coagulación y floculación las partículas coloidales y
microflocs están en contacto unas con otras, favorecidas por las condiciones de mezcla
dominantes en el sistema. El grado de agitación se cuantifica por medio del gradiente
de velocidad simbolizado por la letra G.
25
El gradiente de velocidad se relaciona directamente con la energía suministrada
al sistema y es inversamente proporcional a la resistencia que el fluido opone
(viscosidad del agua).
𝐺 = (𝑃
𝑚)
1/2
P= potencia en la unidad de volumen
m= viscosidad absoluta
En los mezcladores tipo pistón, se emplean gradientes de velocidad muy altos en
tiempos muy cortos, los más recomendables son 1000 y 2000 seg-1.
En los retromezcladores, el gradiente de velocidad del rotor no tiene proporción directa
con la eficiencia del proceso. En el eje de rotación el gradiente de velocidad puede ser
entre 200 y 300 seg-1 y el tiempo de detención varía entre 15 y 30 s-1, el Gt mínimo
es de 2250 y 7500 máximo.
Arboleda (2000) indica que “el total de partículas en colisión es proporcional al
producto del gradiente de velocidad G y al tiempo de detención t.” (p.60)
En los retromezcladores el gradiente de velocidad no se distribuye uniformemente en
toda la masa del agua, en las periferias del tanque el gradiente es mínimo mientras que
en las cercanías de las paletas alcanza valores mucho más altos.
En conclusión, podemos afirmar que un mezclador hidráulico previsto de un sistema
de dispersión del coagulante es muy eficiente, sobresaliendo el manejo del gradiente
de velocidad en función del caudal ante la poca flexibilidad que este posee.
2.5.6. Influencia de la turbiedad.
Andía Cárdenas (2000) manifiesta que “la turbiedad es una forma indirecta de
medir la concentración de las partículas suspendidas en un líquido, mide el efecto de
la dispersión que estas partículas presentan al paso de la luz y están en función del
número, tamaño y forma de partículas.” (p.19)
“La turbiedad del agua superficial es gran parte debido a partículas de lodos de
sílice de diámetros que varían entre 0.2 a 5 um. La coagulación de estas partículas es
26
muy fácil de realizar cuando el pH se mantiene dentro del rango óptimo.” (Andía
Cárdenas, 2000, p.19)
La variación de la concentración de las partículas permite hacer las siguientes
predicciones:
- Existe una cantidad de coagulante para cada valor de turbiedad, con el cual se
obtiene la turbiedad residual más baja, la cual representa la dosis óptima.
- Cuando la turbiedad aumenta se debe adicionar una cantidad de coagulante
mínima, es decir no en exceso debido ya que la probabilidad de choque entre
las partículas es muy superior; por lo que la coagulación se realiza con
facilidad; por el contrario, cuando la turbiedad es baja la coagulación se realiza
muy difícilmente, y la cantidad del coagulante es igual o mayor que cuando la
turbiedad hubiese sido alta.
- En casos donde la turbiedad es muy alta, es mejor ejecutar una pre
sedimentación natural o forzosa, utilizando un polímero aniónico.
- Es más sencillo coagular aguas que presentan baja turbiedad y otras que hayan
sido contaminadas por desagües domésticos industriales, porque demandan
una mayor cantidad de coagulante que los no contaminados. (Andía Cárdenas,
2000, p.19)
2.6. SISTEMAS DE APLICACIÓN DE COAGULANTES
Andía Cárdenas (2000) explica que las reacciones del agua con el coagulante
solo se producen si se cumplen con los siguientes parámetros.
La dosis del coagulante que se adicione al agua es en forma constante y
uniforme en la unidad de mezcla rápida, de tal manera que el coagulante sea
completamente dispersado y mezclado con el agua.
El sistema de dosificación debe proporcionar un caudal constante y fácilmente
regulable.
27
2.6.1. Observación de las condiciones de mezcla del coagulante con el agua
En la siguiente figura se muestra la mejor mezcla cuando se aplica todo el total
del coagulante en la masa del agua. Este proceso se realiza mediante los diversos
equipos de dosificación que existen en el mercado, sean para coagulantes en sólido o
en solución, los cuales deben estar debidamente calibrados mediante pruebas de
aforamiento.
En la siguiente ilustración (a) se identifica el ingreso del coagulante al agua cruda,
donde no hay una buena mezcla porque no se distribuye el compuesto químico con el
agua, al contrario de la siguiente ilustración (b) donde se mezcla completamente el
coagulante con el agua a tratar, siendo ésta la mezcla óptima.
Figura N°12. Condiciones de la mezcla
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS YOLANDA, 2000
Cuando el coagulante añadido cae en su totalidad a la masa de agua es la mejor mezcla.
Según Andía Cárdenas (2000) “Esta condición se obtiene por medio de los
equipos de dosificación tanto para los coagulantes al estado sólido y estado líquido,
que deben encontrarse calibrados y comprobados en la práctica por medio de las
pruebas de aforamiento.” (p.20)
28
2.6.2. Tipos de dosificadores
Son equipos que liberan una cantidad prefijada de producto químico por unidad
de tiempo. Pueden operar con el producto seco o en solución.
“Atendiendo a la forma del producto que aplican, se pueden clasificar como
equipos de dosificación de sustancias en seco, equipos de dosificación de sustancias
en solución y equipos de dosificación de sustancias en forma de gases.” (Canepa de
Vargas, 2005, p.30)
Dosificadores en seco
- Dosificadores en seco de tipo gravimétrico
- Dosificadores en seco de tipo volumétrico
Dosificadores en solución
2.6.2.1.Dosificadores en seco
Canepa de Vargas (2005) explica que los dosificadores “Dosifican productos
como el sulfato de aluminio, la cal, sales de flúor, etcétera, en su forma seca.” (p.30)
Según la forma de medición de la cantidad de producto químico se clasifican en
gravimétricos y volumétricos.
A continuación, se muestra la descripción de cada uno de los dosificadores y su
respectiva ilustración donde indica el esquema del equipo.
2.6.2.1.1. Dosificadores en seco de tipo gravimétrico
“El conjunto de medición es del tipo de pérdida de peso, de correa
transportadora, de embudo oscilante.” (Canepa de Vargas, 2005, p.31)
29
Fotografía N° 3. Dosificador gravimétrico
Fuente: AIDIS, CAP. HONDURAS, 2006
Canepa de Vargas (2005), indica que en “este tipo de unidades la cantidad de
producto químico por dosificar se efectúa por peso de material o por diferencia de peso
del material disponible para ser dosificado.”
a. Dosificador gravimétrico en seco de correa transportadora
“El material liberado por la tolva se deposita sobre una correa transportadora
que pasa sobre la plataforma de una balanza, la cual es regulada para recibir un peso
que corresponda a la dosificación deseada.” (Canepa de Vargas, 2005, p.33)
30
Cuando el peso del material que cae sobre la correa transportadora coincide
con el peso prefijado, una válvula reajusta la cantidad de material excesivo para
equilibrar el sistema. La variación de velocidad de la correa aumenta el rango
de dosificación del equipo. (Canepa de Vargas, 2005, p.32)
Figura N°13. Gravimétrico de correa transportadora
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
b. Dosificador gravimétrico en seco de pérdida de peso
Canepa de Vargas (2005), manifiesta que estos equipos miden la cantidad
de material por dosificar según la diferencia de peso de la tolva que
contiene el material y que se apoya en una balanza equilibrada mediante
un contrapeso móvil. El movimiento del contrapeso se hace con un
desplazamiento proporcional a la dosificación deseada y no en el
sentido correspondiente al equilibrio de cargas sucesivamente menores.
(p.32)
31
La siguiente ilustración indica el accionar del motor en la posición de parada,
la válvula de alimentación de agua en la cámara de solución, mezclado y el agitador
mecánico.
Figura N°14. Dosificador gravimétrico tipo pérdida de peso
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
2.6.2.1.2. Dosificadores en seco de tipo volumétrico
El mecanismo de dosificación es del tipo de tornillo giratorio, de disco
giratorio, etc. Canepa de Vargas (2005) indica que se obtiene “la dosificación
deseada por medio de la variación de la velocidad de desplazamiento, por
medio del aprovisionamiento parcial de la capa o de la variación del espesor
de la capa formada.” (p.33)
En el silo de suministro del dosificador cuenta con un dispositivo de
dosificación continuo de medición de volúmenes.
32
Fotografía N° 4. Dosificador tipo volumétrico
Fuente: AIDIS, CAP. HONDURAS, 2006
I. Dosificador en seco volumétrico del tipo tornillo giratorio
“Funciona por medio de un tornillo sumergido en la masa del producto químico
que va a ser dosificado, el cual es arrastrado por su movimiento en el sentido del eje
de rotación.” (Canepa de Vargas, 2005, p. 33)
Figura N°15. Dosificador volumétrico de tornillo giratorio
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
33
2.6.2.2.Dosificadores en solución
Canepa de Vargas (2005) explica que los dosificadores en solución son
utilizados para dosificar por vía húmeda o para dosificar líquidos. Se clasifican en:
2.6.2.2.1. Dispositivos medidores volumétricos
Estos se subdividen en:
I. Bomba de diafragma
Este tipo de dosificador esta accionado hidráulicamente con mucha precisión,
sin embargo, su exactitud es menor que el dosificador de pistón, tiene la particularidad
de resistir grandes presiones y soporta hasta un caudal de 2500l/h.
II. Bomba de pistón
Son muy precisos, pero tiene una pequeña desventaja de ser muy corrosivo a
los productos abrasivos (silicato sódico, cloruro férrico), este tipo de dosificador de
acuerdo a la capacidad de la bomba puede soportar una alta concentración de caudal
con miles de l/h.
2.6.2.2.2. Medidores de velocidad
Estos a su vez se clasifican en dosificadores de:
I. Dosificadores de orificio de carga constante o variable
II. Venturi
III. Rotámetros
I. Dosificadores de orificio de carga constante
Este tipo de dosificadores se emplean en plantas pequeñas y medianas, los
más frecuentes son los de carga constante y regulable. Consta de un tanque
número uno para la preparación de la solución y de un tanque número dos o
equipo dosificador. El mecanismo de acción es muy simple, se mantiene una
carga constante de agua por medio de una válvula de boya que regula la carga
34
sobre un orificio sumergido. “La dosificación se efectúa mediante el orificio
sumergido en la solución, cuyo tamaño se gradúa para obtener la dosificación
deseada.” (Canepa de Vargas, 2005, p.34)
La siguiente ilustración muestra las partes fundamentales de este tipo de
dosificador donde destacan el tanque de solución del dosificador, válvula de control
en la entrada de la solución, válvula de graduación de la descarga de la solución del
coagulante.
Figura N°16. Dosificador de orificio de carga constante
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
II. Venturi
Este tipo de dosificador se utiliza para sistemas fijos de caudales posicionales,
tiene la ventaja de utilizarse para cualquier tipo de solución y concentrados, es
altamente resistente a la corrosión, posee una válvula esférica que es la que ajusta la
dosificación del coagulante.
35
Fotografía N° 5. Dosificador tipo venturi
Fuente: AIDIS, CAP. HONDURAS, 2006
Figura N°17. Esquema de dosificador tipo venturi
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
III. Rotámetros
Es un tipo de caudalímetro que mide el caudal de líquidos y gases. Este consiste
en un tubo y un flotador, este caudal que lo atraviesa es lineal con un rango de fluido
estándar respectivamente largo y baja caída de presión. Su instalación es muy sencilla,
fácil de usar y mantener.
El uso de este dispositivo se basa en el principio de área variable; el caudal
eleva la válvula flotadora de un tubo ahusado, esto aumenta el área del paso del
líquido. Si es mayor el flujo más se eleva la altura del flotador, es decir son
directamente proporcionales el caudal y la altura del flotador. Los rotadores deben
estar orientados y ensamblados en forma vertical.
36
Fotografía N° 6. Dosificador tipo rotámetro para flujo de líquidos
Fuente: http://mx.omega.com/pptst/FL1300_1400.html
2.7. TIPOS DE COAGULACIÓN.
Se presentan dos tipos básicos de coagulación: Por Adsorción y Por Barrido.
a) Coagulación por adsorción. –
Se presenta cuando el agua presenta una alta concentración de partículas al
estado coloidal; cuando el coagulante es adicionado al agua turbia los
productos solubles de los coagulantes son absorbidas por los coloides y
forman los flóculos en forma casi instantánea. (Andía Cárdenas, 2000, p. 197)
37
Figura N°18. Coagulación por adsorción
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS, 2000
b) Coagulación por barrido. –
Este tipo de coagulación se presenta cuando el agua es clara (presenta baja
turbiedad) y la cantidad de partículas coloides es pequeña; en este caso las
partículas son entrampadas al producirse una sobresaturación de precipitado
de sulfato de aluminio o cloruro férrico. (Andía Cárdenas, 2000, p. 198)
Figura N°19. Coagulación por barrido
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS, 2000
38
2.8. CLASIFICACIÓN DEL AGUA SEGÚN COMPORTAMIENTO
EN LA COAGULACIÓN
Andía Cárdenas (2000), presenta un proyecto experimental donde se presenta
cuatro tipos de agua, en el cual se ha realizado ensayo de pruebas de jarras para
la determinación de la dosis óptima, en donde los resultados se muestran a
continuación teniendo como conclusión que si la alcalinidad del agua es baja
se necesita mayor cantidad de coagulante y si es alta se necesita en menor
cantidad de coagulante. (p.213)
La siguiente tabla muestra el resumen del análisis experimental del comportamiento
del agua.
Tabla N° 9. Clasificación del agua según el comportamiento de la coagulación
Tipo de Agua Tipo de Coagulación Requerimiento
1. Baja Concentración de
Coloides, baja
alcalinidad.
Formación de precipitado.
Floc de barrido
Alta dosis de coagulantes.
Adición de alcalinidad o
partículas, o ambas.
2. Baja concentración de
coloides, alta
alcalinidad.
Formación de precipitado.
Floc de Barrido
Alta dosis de coagulantes.
Adición de partículas.
3. Alta concentración de
coloides, baja
alcalinidad
Adsorción de polímeros
metálicos positivos, en la
superficie de los coloides.
(pH 4 a 7).
Dosis de coagulantes
incrementa con
concentración de partículas,
adición de
alcalinidad
4. Alta concentración de
coloides, alta
alcalinidad.
Adsorción de polímeros,
metálicos positivos y
precipitaciones de hidróxidos
(pH>7)
Dosis de coagulante
Incrementa con
concentración de partículas.
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS, 2000
39
Figura N°20. Clasificación del agua según el comportamiento de la coagulación
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS, 2000
40
2.9. REMOCIÓN DE LA TURBIEDAD
La aplicación de una dosis creciente del coagulante al agua presenta diferentes zonas
de coagulación. (Andía Cárdenas, 2000, p.30)
“Zona 1.- La dosis de coagulante no es suficiente para desestabilizar las partículas
y por lo tanto no se produce coagulación.
Zona 2.- Al incrementar la dosis de coagulantes, se produce una rápida
aglutinación de los coloides.
Zona 3.- Si se continúa incrementando la dosis, llega un momento en que no se
produce una buena coagulación, ya que los coloides se reestabilizan.
Zona 4.- Al aumentar aún más la dosis, hasta producir una súper saturación se
produce de nuevo una rápida precipitación de los coagulantes que hace un efecto
de barrido, arrastrando en su descenso las partículas que conforman la turbiedad.”
Para una eficiente remoción del color, se requiere que el pH sea bajo de 6 a 7,
en comparación con la óptima remoción de turbiedad que es el objetivo de esta
ilustración, donde se utilizó agua con un pH alto de 7 a 8,2, en donde no hay
remoción del color. El color inicial podemos medirlo una vez que las partículas
suspendidas sigan su curso, el cual es el color aparente, que no es más que la materia
que está suspendida y disuelta. Al final de todo el proceso de potabilización
determinaremos el color verdadero luego de pasar por el filtrado.
Figura N°21. Diagrama de remoción de turbiedad
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS, 2000
41
Figura N°22. Remoción de turbiedad con sulfato de aluminio
Fuente: ANDÍA CÁRDENAS, 2000
42
CAPÍTULO III
3. MARCO METODOLÓGICO
3.1. Consideraciones previas del sistema de dosificador de coagulante
En Plantas más pequeñas es mejor utilizar dosificadores en solución, ya que
son menos costosas, y no se necesitan un gran número de piezas para su diseño. Este
proyecto propone un sistema de dosificación en solución, por gravedad integrado, que
posteriormente va a ser de fácil implementación ubicado en la parte izquierda hacia el
fondo, en la sección de equipos del Laboratorio de Hidráulica de la Universidad
Central del Ecuador. No será necesario contar con energía eléctrica para este sistema
de dosificación, solo se necesita calibración previa de la dosis del coagulante, y un
control permanente, al igual que la operación y mantenimiento del sistema.
La proporcionalidad al flujo del agua cruda es algo que se debe mantener en todo el
tiempo, mientras más agua entre en el proceso de potabilización, más coagulante debe
ser descargado. Si es el caso se instalará una válvula solenoide para su accionamiento
manual en la descarga del coagulante, además de la válvula flotador para regular el
caudal.
“Es necesario para tratar el agua conocer los rangos máximos y mínimos de
turbiedad, color, pH que deberá tratar el sistema, de acuerdo a eso se obtendrán las
dosis máximas y mínimas que serán aplicadas en el equipo.” (Fleitas R., 2010, p. 13)
Fleitas R., (2010) indica que el sistema de dosificación debe proveer las
siguientes funciones: (p. 13)
- “Almacenamiento de la sustancia química
- Control de la cantidad de químico en las dosis
- Disolución de la sustancia química
- Dosificación de la solución
- Evitar excesos del compuesto químico
- Adaptación con el entorno de la Planta potabilizadora”
- Mantener la velocidad del sistema
- Protección residual del compuesto químico
- Implementación de válvulas de regulación y control
- Considerar siempre el tiempo de retención de la sustancia química
43
- Los sistemas no requieren una minuciosa operación y mantenimiento del
mismo.
3.2.Criterios de selección
Revisaremos la importancia de estos parámetros de acuerdo a la
funcionabilidad de los sistemas, siguiendo los principales criterios de evaluación.
(Fleitas R, 2010, p.44)
- Funcionabilidad
- Seguridad
- Energía
- Posibilidad de construcción
- Compatibilidad
- Operatividad
- Protección del compuesto
- Mantenimiento
- Vida útil
- Costos
- Residuos
- Estética
- Ergonomía
- Tamaño
3.2.1. Funcionabilidad
Es la eficiencia para que el sistema pueda desempeñar y cumplir la función de
dosificación en una tarea de manera satisfactoria.
El siguiente cuadro representa la sistematización de los dosificadores de acuerdo a su
funcionabilidad.
44
Tabla N° 10. Clasificación de los sistemas de dosificación por su funcionalidad
DOSIFICADORES TIPO CLASIFICACIÓN FUNCIONABILIDAD
VOLUMETRICA
PLATO
OSCILANTE
Cualquier material
granular en polvo
GARGANTA
OSCILANTE
Cualquier material, en
cualquier diámetro de
partícula
DISCO
ROTATORIO
Mayoría de materiales
en forma granular o en
polvo
TORNILLO Material muy seco en
forma granular o en polvo
CINTA
Material muy seco en
forma granular o en polvo
con tamaño máximo de
1%
GRAVIMETRICA
CINTA Y
BALNAZA
Material seco o húmedo
e forma granular o en
polvo (debe utilizarse
agitadores para mantener
una densidad constante)
PERDIDA DE PESO
Mayoría de materiales
en forma granular o en
polvo
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
PISTON
Gran precisión del
compuesto químico no se
utiliza con elementos
abrasivos o corrosivos
(silicato sódico o cloruro
férrico)
BOMBA
DOSIFICADORA DE
DIAFRAGMA
Ligeramente menor
precisión que la anterior
pero se utiliza para
elementos abrasivos,
corrosivos o tóxicos
GRAVEDAD
CARGA
CONSTANTE
Sirve para Plantas
pequeñas y medianas, se
utilizan para cualquier
tipo de solución, pueden
ser fabricados localmente
CARGA
REGULABLE
Sirve para Plantas
pequeñas y medianas, se
utilizan para cualquier
tipo de solución, pueden
ser fabricados localmente
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
3.2.2. Seguridad
Se brinda protección tanto al usuario como al equipo de dosificación, en
términos de estructura y los componentes de la unidad. (Fleitas R., 2010, p.45)
45
El siguiente cuadro muestra el tipo de seguridad que se necesita para que el sistema
funcione en óptimas condiciones.
Tabla N° 11. Clasificación de los sistemas de dosificación por su seguridad
DOSIFICADORES TIPO CLASIFICACIÓN SEGURIDAD
SECO
VOLUMETRICA
PLATO
OSCILANTE Calibración frecuente
GARGANTA
OSCILANTE Cuidadosa operación
DISCO
ROTATORIO
Cuidadosa operación
y mantenimiento
TORNILLO Calibración frecuente
CINTA Cuidadosa operación
y mantenimiento
GRAVIMETRICA
CINTA Y
BALANZA
Cuidadosa operación
y mantenimiento
PERDIDA DE
PESO Calibración frecuente
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
PISTON
Calibración frecuente
BOMBA
DOSIFICADORA DE
DIAFRAGMA
Calibración frecuente
GRAVEDAD
CARGA
CONSTANTE Calibración frecuente
CARGA
REGULABLE Calibración frecuente
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
3.2.3. Energía
La Plantas donde se montará el sistema de dosificación, si cuenta con energía
eléctrica, es recomendable que el dosificador utilice la menor cantidad posible de
energía en su puesta en marcha ya que las otras unidades posteriores a este sistema
probablemente necesiten más consumo de la fuente eléctrica.
A continuación, se muestra la cantidad de energía que se necesita para los diferentes
sistemas de dosificación.
46
Tabla N° 12. Clasificación de los sistemas de dosificación por la energía empleada
DOSIFICADORES TIPO CLASIFICACIÓN ENERGIA
SECO
VOLUMETRICA
PLATO
OSCILANTE
Energía constante mientras se
lleva a cabo el proceso.
GARGANTA
OSCILANTE
Energía constante mientras se
lleva a cabo el proceso.
DISCO
ROTATORIO
Energía constante mientras se
lleva a cabo el proceso.
TORNILLO Energía constante mientras se
lleva a cabo el proceso.
CINTA Energía constante mientras se
lleva a cabo el proceso.
GRAVIMETRICA
CINTA Y
BALNAZA
Consumo medio de energía
mientras se lleve a cabo el
proceso.
PERDIDA DE
PESO
Consumo irrelevante de
energía mientras se lleve a cabo
el proceso.
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA
DE PISTON
Consumo medio de energía
mientras se lleve a cabo el
proceso.
BOMBA
DOSIFICADORA
DE DIAFRAGMA
Energía constante mientras se
lleva a cabo el proceso.
GRAVEDAD
CARGA
CONSTANTE
No es necesario la fuente de
energía mientras se lleve a cabo
el proceso.
CARGA
REGULABLE
No es necesario la fuente de
energía mientras se lleve a cabo
el proceso.
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
3.2.4. Posibilidad de construcción
Entre los objetivos de este estudio no está la construcción de este sistema, pero
estamos tomando en cuenta la fabricación del mismo, en cuanto a los materiales de
construcción y costo de la producción de la propuesta.
En el siguiente cuadro indicamos aproximadamente el equipo que se necesita para la
construcción de los sistemas de dosificación.
47
Tabla N° 13. Clasificación de los sistemas de dosificación por construcción
DOSIFICADORES TIPO CLASIFICACIÓN CONSTRUCCIÓN
SECO
VOLUMETRICA
PLATO
OSCILANTE
Equipo de tolva, vibrador de
compuerta, transmisión de
velocidad variable
GARGANTA
OSCILANTE
Equipo provisto cámara en la
tolva, que dosifica al volumen
con una válvula que ajusta.
DISCO
ROTATORIO
Equipo con disco rotatorio,
diafragma vibrador, motor y
agitador jet hidráulico.
TORNILLO
Tornillo sumergido en la
masa del producto arrastrado
por un motor.
CINTA La medición del volumen se
efectúa mediante la formación
GRAVIMETRICA
CINTA Y
BALANZA
Equipo dispuesto de válvula,
motor controlado por la
balanza.
PERDIDA DE
PESO
Equipo de balanza
equilibrada mediante un
contrapeso móvil. Válvula de
alimentación con cuña de
control y vibrador.
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
PISTON
Equipo con bombas
aspirantes de pistón, regulado
por una frecuencia de
desplazamientos. Permite
ajustar el volumen.
BOMBA
DOSIFICADORA DE
DIAFRAGMA
Equipo con bombas
aspirantes de diafragma,
regulado por una frecuencia de
desplazamientos equipados con
una bomba centrifuga controla
a dosificación.
GRAVEDAD
CARGA
CONSTANTE
Provisto de un tanque para la
solución y otro tanque de
dosificación por una válvula de
boya con carga constante de un
orificio sumergido.
CARGA
REGULABLE
Provisto de una válvula de
flotador un dosificador a escala,
y un tanque de solución
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
48
3.2.5. Compatibilidad
Todos los sistemas descritos anteriormente se pueden unir y ser compatibles
entre sí. En el diseño final se puede recopilar las mejores ideas de cada sistema, se
verifican si son compatibles, si existe posibilidad de integración, modificaciones
pertinentes para el funcionamiento del sistema.
En caso de no poder compaginar los sistemas más adecuados se debe contemplar la
posibilidad de separar su funcionamiento siempre y cuando sea lo más adecuado para
nuestro diseño, prevalecerá un sistema eficaz que asemeje ser lo más automático y en
conjunto sea la mejor y más viable opción.
La siguiente tabla indica la compatibilidad de los sistemas entre ellos.
Tabla N° 14. Clasificación de los sistemas de dosificación por su compatibilidad con otros
sistemas
DOSIFICADORES TIPO CLASIFICACIÓN COMPATIBILIDAD
SECO
VOLUMETRICA
PLATO
OSCILANTE
compatibilidad
gravimétrica, volumétrica
GARGANTA
OSCILANTE
compatibilidad
gravimétrica, volumétrica
DISCO
ROTATORIO
compatibilidad
gravimétrica, volumétrica
TORNILLO compatibilidad
gravimétrica, volumétrica
CINTA compatibilidad
gravimétrica, volumétrica
GRAVIMETRICA
CINTA Y
BALANZA
compatibilidad
gravimétrica, volumétrica
PERDIDA DE
PESO
compatibilidad
gravimétrica, volumétrica
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA
DE PISTON
compatibilidad con
dosificador de pistón y
diafragma
BOMBA
DOSIFICADORA
DE DIAFRAGMA
compatibilidad con
dosificador de pistón y
diafragma
GRAVEDAD
CARGA
CONSTANTE
compatibilidad con
dosificador de orificio
carga constante y
regulable
CARGA
REGULABLE
compatibilidad con
dosificador de orificio
carga constante y
regulable
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
49
3.2.6. Operatividad
El sistema debe ser diseñado de tal manera que pueda ser operado de forma
intuitiva y fácil para cualquier tipo de persona que tenga a su mando la operatividad
del equipo.
A continuación, se muestra la operatividad de los sistemas de dosificación.
Tabla N° 15. Clasificación de los sistemas de dosificación por su operatividad
DOSIFICADORES TIPO CLASIFICACIÓN OPERATIVIDAD
SECO
VOLUMETRICA
PLATO OSCILANTE Operable
GARGANTA
OSCILANTE Operable
DISCO ROTATORIO Operable
TORNILLO Operable
CINTA Operable
GRAVIMETRICA
CINTA Y BALANZA Operable
PERDIDA DE PESO Operable
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
PISTON
Operable
BOMBA
DOSIFICADORA DE
DIAFRAGMA
Operable
GRAVEDAD
CARGA CONSTANTE Operable
CARGA REGULABLE Operable
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
3.2.7. Protección del compuesto
En cada sistema debe existir un lugar de acopio de las sustancias químicas,
cada dosificador cuenta con un almacenamiento propio de tal manera que provee el
compuesto químico para un periodo de trabajo, es decir las dosis necesarias mientras
opere la Planta. Durante el periodo de puesta en marcha se debe proteger al compuesto
químico ajeno a su naturaleza y reducir pérdidas del material químico.
50
Cabe recalcar que no sólo se debe proteger a las sustancias químicas sino a los
usuarios o personas ajenas que puedan visitar esta zona.
En la siguiente tabla se muestran los dosificadores que cuentan con tanque de
almacenamiento interno.
Tabla N° 16. Clasificación de los sistemas de dosificación por su almacenamiento interno
DOSIFICADORES TIPO CLASIFICACIÓN
TANQUE DE
ALMACENAMIENTO
INTERNO
SECO
VOLUMETRICA
PLATO OSCILANTE Si posee
GARGANTA
OSCILANTE Si posee
DISCO ROTATORIO Si posee
TORNILLO Si posee
CINTA Si posee
GRAVIMETRICA
CINTA Y BALANZA Si posee
PERDIDA DE PESO Si posee
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
PISTON
Si posee
BOMBA
DOSIFICADORA DE
DIAFRAGMA
Si posee
GRAVEDAD
CARGA CONSTANTE Si posee
CARGA REGULABLE Si posee
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
3.2.8. Mantenimiento
Cada sistema debe tener la capacidad de solucionar de manera inmediata
cualquier desperfecto que se produzca, se debe reducir al máximo el soporte técnico
ya que una Planta Potabilizadora compacta no solo puede estar en la cuidad sino en
las afueras, y es por ello que se necesita que el sistema de dosificación no requiera un
técnico especializado, que sólo el operador pueda arreglar cualquier desperfecto, y
sólo en casos extremos se solicite ayuda.
51
Es recomendable que exista un ensamblaje y desensamblaje fácil sin
complicaciones para mantenimientos antes y después de su uso perenne.
El siguiente cuadro indica el mantenimiento que necesita cada sistema de dosificación.
Tabla N° 17. Clasificación de los sistemas de dosificación por su mantenimiento
DOSIFICADORES TIPO CLASIFICACIÓN MANTENIMIENTO
SECO
VOLUMETRICA
PLATO OSCILANTE PRE-POST
FUNCIONAMIENTO
GARGANTA
OSCILANTE
PRE-POST
FUNCIONAMIENTO
DISCO ROTATORIO PRE-POST
FUNCIONAMIENTO
TORNILLO PRE-POST
FUNCIONAMIENTO
CINTA PRE-POST
FUNCIONAMIENTO
GRAVIMETRICA
CINTA Y BALANZA PRE-POST
FUNCIONAMIENTO
PERDIDA DE PESO PRE-POST
FUNCIONAMIENTO
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
PISTON
REVISION PRE- POST
FUNCIONAMIENTO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
DIAFRAGMA
REVISION PRE- POST
FUNCIONAMIENTO
GRAVEDAD
CARGA CONSTANTE REVISION PRE- POST
FUNCIONAMIENTO
CARGA REGULABLE REVISION PRE- POST
FUNCIONAMIENTO
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
3.2.9. Vida útil
Es el tiempo estimado en el cual el equipo operará sin presentar ningún
desperfecto.
52
Esto funciona siempre y cuando se realice el mantenimiento respectivo en el
sistema de dosificación. El período de vida útil ha sido basado en las garantías que
ofrecen los fabricantes de los diversos dosificadores que existen en el mercado.
(Indostra, 2013, p.2)
Tabla N° 18. Clasificación de los sistemas de dosificación por su mantenimiento
DOSIFICADORE
S TIPO CLASIFICACIÓN VIDA UTIL
SECO
VOLUMETRICA
PLATO OSCILANTE 15 años
GARGANTA
OSCILANTE 15 años
DISCO ROTATORIO 15 años
TORNILLO 15 años
CINTA 15 años
GRAVIMETRIC
A
CINTA Y BALANZA 20 años
PERDIDA DE PESO 20 años
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
PISTON
20 años
BOMBA
DOSIFICADORA DE
DIAFRAGMA
20 años
GRAVEDAD
CARGA
CONSTANTE 10 años
CARGA
REGULABLE 10 años
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: INDOSTRA, 2013
3.2.10. Costos
Valor estimado de la fabricación y construcción del diseño del proyecto,
además de las partes extras que lo integran. A continuación, se muestra el valor
aproximado en función de la construcción e instalación de los equipos dosificadores
como referencia de los productos que ofrecen. (Indostra, 2013, p. 3)
53
Tabla N° 19. Clasificación de los sistemas de dosificación por su costo aproximado
DOSIFICADORES TIPO CLASIFICACIÓN COSTO/INSTALACIÓN
EQUIP. GLOBAL/USD
SECO
VOLUMETRICA
PLATO OSCILANTE 2000
GARGANTA
OSCILANTE 1000
DISCO ROTATORIO 2000
TORNILLO 2000
CINTA 1500
GRAVIMETRICA
CINTA Y BALANZA 1240
PERDIDA DE PESO 1100
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
PISTON
1230
BOMBA
DOSIFICADORA DE
DIAFRAGMA
970
GRAVEDAD
CARGA
CONSTANTE 800
CARGA
REGULABLE 500
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: INDOSTRA, 2013
3.2.11. Residuos
Después de tratar completamente el agua ya potabilizada, el equipo de
dosificación, al igual que el resto de las unidades que la conforman detiene su trabajo,
es por ello que se recomienda no dejar residuos de los químicos, tanto en polvo como
en solución. Los residuos de compuestos químicos arruinan los sistemas de
dosificación.
Se recomienda realizar periódicamente un mantenimiento y limpieza de las partes que
lo conforman al equipo dosificador, removiendo cualquier vestigio del coagulante
químico aplicado.
54
Figura N°23. Dosificador tipo volumétrico pérdida de peso
Fuente: INDOSTRA, 2013
Figura N°24. Dosificador tipo volumétrico garganta oscilante
Fuente: INDOSTRA, 2013
3.2.12. Estética
Este diseño se debe adaptar a las necesidades y capacidades de la Planta,
evitando posiciones complicadas y de difícil operación.
55
3.2.13. Ergonomía
El diseño está enfocado en las necesidades de las personas que lo van a utilizar,
impidiendo esfuerzos y colocaciones inadecuadas.
3.2.14. Tamaño
El sistema de dosificación guarda solo pequeñas cantidades de coagulante, es
por ello que el tamaño de la unidad debe estar en proporción a todos los componentes
de la Planta de tratamiento de la cual se necesita realizar la implementación del
sistema.
3.3.Matrices de selección
Esta matriz se realiza para cada sistema de dosificación, con cada parámetro
de selección, asignándole un valor, comparando las diferentes propuestas de cada
subsistema, según Fleitas R., (2010) “los criterios de juicio de importancia basados en
experiencias previas”. (p.34) Los criterios poseen un valor numérico que evalúa cada
sistema.
Tabla N° 20. Escala de evaluación
Excelente 4
Aceptable 3
Regular 2
Deficiente 1
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: F FLEITAS R., 2010
En cada propuesta se tiene un puntaje de valoración que está de acuerdo a la
escala de evaluación anterior, para cada criterio de selección de los sistemas, después
de esto se multiplica por el valor porcentual del propio criterio (VALOR). Este
proceso se realiza para cada parámetro de valoración y al final se suman los resultados,
obteniendo un valor final para cada idea, permitiendo una comparación entre
56
propuestas y la selección objetiva de la propuesta que más se ajuste los requerimientos
del sistema. (Fleitas R., 2010, p. 35)
En la siguiente tabla se observa un ejemplo ilustrativo de la estimación de un sistema
cualquiera, calculadas según siete criterios de selección.
Tabla N° 21. Prototipo de una matriz de decisión
CRITERIOS VALOR (%)
PROPUESTA 1 PROPUESTA 2
EV TOT EV TOT
Criterio 1 25 1 4 0.25 1
Criterio 2 20 0.4 2 0.6 3
Criterio 3 20 0.2 1 0.4 2
Criterio 4 10 0.3 3 0.4 4
Criterio 5 10 0.4 4 0.3 3
Criterio 6 10 0.3 3 0.2 2
Criterio 7 5 0.05 1 0.05 1
TOTAL 100 2.65 2.2
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS R., 2010
Entonces la operación algebraica de la propuesta 1:
(4*0.25)+(2*0.20)+(1*0.20)+(3*0.10)+(4*0.10)+(3*0.10)+(1*0.05)=
1+0.4+0.2+0.3+0.4+0.3+0.05= 2.65
El siguiente cuadro matriz especifica las propuestas de diferentes dosificadores con su
respectiva valoración, de acuerdo a los parámetros de calificación (%) establecidos
previamente.
57
Tabla N° 22. Matriz de valoración de dosificadores
MATRIZ DE VALORACIÓN PARAMETROS DE VALORACIÓN (%)
DO
SIF
ICA
DO
R
TIP
O
CL
AS
IFIC
AC
IÓN
FU
NC
ION
AB
ILID
AD
10
SE
GU
RID
AD
10
EN
ER
GÍA
10
PO
SIB
ILID
AD
DE
CO
NS
TR
UC
CIÓ
N
5
CO
MP
AT
IBIL
IDA
D
10
OP
ER
AT
IVID
AD
10
PR
OT
EC
CIÓ
N D
EL
CO
MP
UE
ST
O
10
MA
NT
EN
IMIE
BT
O
5
VID
A U
TIL
5
CO
ST
OS
5
RE
SID
UO
S
5
ES
TÉ
TIC
A
5
ER
GO
NO
MÍA
5
TA
MA
ÑO
5
VA
LO
R T
OT
AL
SECO
VOLUMETRICA
PLATO
OSCILANTE 3 0.3 2 0.2 4 0.4 2 0.1 2 0.2 4 0.4 4 0.4 2 0.1 4 0.2 2 0.1 3 0.2 4 0.2 2 0.1 3 0.2 3
GARGANTA
OSCILANTE 3 0.3 2 0.2 4 0.4 2 0.1 2 0.2 4 0.4 4 0.4 2 0.1 4 0.2 2 0.1 3 0.2 4 0.2 2 0.1 3 0.2 3
DISCO
ROTATORIO 3 0.3 2 0.2 4 0.4 2 0.1 2 0.2 4 0.4 4 0.4 2 0.1 4 0.2 2 0.1 3 0.2 4 0.2 2 0.1 3 0.2 3
TORNILLO 3 0.3 2 0.2 4 0.4 2 0.1 2 0.2 4 0.4 4 0.4 2 0.1 4 0.2 2 0.1 3 0.2 4 0.2 3 0.2 3 0.2 3.05
CINTA 3 0.3 2 0.2 3 0.3 3 0.2 2 0.2 4 0.4 4 0.4 2 0.1 4 0.2 2 0.1 3 0.2 4 0.2 3 0.2 3 0.2 3
GRAVIMETRICA
CINTA Y
BALNAZA 3 0.3 2 0.2 3 0.3 2 0.1 2 0.2 4 0.4 4 0.4 3 0.2 4 0.2 3 0.2 3 0.2 4 0.2 3 0.2 3 0.2 3.05
PERDIDA DE
PESO 3 0.3 2 0.2 3 0.3 3 0.2 2 0.2 4 0.4 4 0.4 3 0.2 4 0.2 3 0.2 3 0.2 4 0.2 3 0.2 3 0.2 3.1
LIQUIDO
BOMBEO
BOMBA
DOSIFICADORA DE
PISTON 3 0.3 2 0.2 3 0.3 3 0.2 3 0.3 4 0.4 4 0.4 3 0.2 4 0.2 3 0.2 3 0.2 4 0.2 4 0.2 3 0.2 3.25
BOMBA
DOSIFICADORA DE
DIAFRAGMA 3 0.3 2 0.2 3 0.3 3 0.2 3 0.3 4 0.4 4 0.4 3 0.2 4 0.2 3 0.2 3 0.2 4 0.2 4 0.2 3 0.2 3.25
GRAVEDAD
CARGA
CONSTANTE 4 0.4 4 0.4 4 0.4 3 0.2 4 0.4 4 0.4 4 0.4 4 0.2 4 0.2 4 0.2 3 0.2 4 0.2 4 0.2 4 0.2 3.9
CARGA
REGULABLE 4 0.4 4 0.4 4 0.4 3 0.2 4 0.4 4 0.4 4 0.4 4 0.2 4 0.2 4 0.2 4 0.2 4 0.2 4 0.2 4 0.2 3.95
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS R., 2010
58
En el cuadro anterior se aprecia que los sistemas con mayor valoración, para
nuestro diseño son los dosificadores líquidos a gravedad, en estos se obtuvo el mayor
valor de puntaje, entre los cuales se decidirá posteriormente el sistema de dosificación
definitivo, el mismo que se empleará en la Planta Potabilizadora del Laboratorio de
Hidráulica de la Universidad Central del Ecuador.
3.3.1. Matrices de comparación del coagulante a utilizarse
En las siguientes tablas observamos la valoración para cada parámetro de
calificación de cada coagulante escogido para su probable aplicación en el diseño de
sistema de coagulante, utilizando cloruro férrico, sulfato de aluminio y sulfato férrico.
Tabla N° 23. Cuadro de valoración del coagulante cloruro férrico
COMPUESTO QUIMICO: CLORURO FERRICO
PARÁMETROS
VA
LO
R (
%) DISOLUCI
ÓN DEL
COMPUES
TO
QUÍMICO
VALOR
CONTROL
DE LA
CANTIDA
D DE
COMPUES
TO
QUIMICO
VALOR
ALMACENA
MIENTO DE
LA
SUSTANCIA
VALOR
ADICIÓN DEL
QUÍMICO EN
POLVO/LIQUI
DO A LA
CÁMARA DE
MEZCLADO
VALOR
DOSIFICACI
ÓN DE LA
SOLUCIÓN
VALOR
GEOMETRÍA
DEL
RECIPIENTE
DE
ALMACENAMI
ENTO
SISTEMA
ANTI
APELMAZA
NTE
Funcionabilidad 25 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75
Operatividad 15 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30
Seguridad 15 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45
Posibilidad de
construcción 15 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45
Residuos 15 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30
Mantenimiento 10 2 0.20 2 0.20 2 0.20 2 0.20 2 0.20 2 0.20 2 0.20
Estética 5 2 0.10 2 0.10 2 0.10 2 0.10 2 0.10 2 0.10 2 0.10
Total 100 2.55 2.55 2.55 2.55 2.55 2.55 2.55
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS R., 2010
Tabla N° 24. Cuadro de valoración del coagulante sulfato de aluminio
59
COMPUESTO QUIMICO: SULFATO DE ALUMINIO
PARÁMETR
OS
VA
LO
R (
%) DISOLUCI
ÓN DEL
COMPUES
TO
QUÍMICO
VALOR
CONTROL
DE LA
CANTIDA
D DE
COMPUES
TO
QUIMICO
VALOR
ALMACENAMIE
NTO DE LA
SUSTANCIA
VALOR
ADICIÓN
DEL
QUÍMICO EN
POLVO/LIQU
IDO A LA
CÁMARA DE
MEZCLADO
VALOR
DOSIFICACI
ÓN DE LA
SOLUCIÓN
VALOR
GEOMETRÍA
DEL
RECIPIENTE DE
ALMACENAMIE
NTO
SISTEMA
ANTI
APELMAZA
NTE
Funcionabil
idad 25 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75
Operativida
d 15 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45
Seguridad 15 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45
Posibilidad de
construcció
n
15 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45
Residuos 15 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45
Mantenimie
nto 10 3 0.30 3 0.30 3 0.30 3 0.30 3 0.30 3 0.30 3 0.30
Estética 5 3 0.15 3 0.15 3 0.15 3 0.15 3 0.15 3 0.15 3 0.15
Total 100
3.00 3.00 3.00 3.00 3.00 3.00 3.00
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS R., 2010
Tabla N° 25. Cuadro de valoración del coagulante sulfato férrico
COMPUESTO QUIMICO: SULFATO FERRICO
PARÁMETROS
VA
LO
R (
%) DISOLUCI
ÓN DEL
COMPUES
TO
QUÍMICO
VALOR
CONTROL
DE LA
CANTIDAD
DE
COMPUESTO
QUIMICO
VALOR
ALMACEN
AMIENTO
DE LA
SUSTANCI
A VALOR
ADICIÓN DEL
QUÍMICO EN
POLVO/LIQUID
O A LA
CÁMARA DE
MEZCLADO
VALOR
DOSIFICACI
ÓN DE LA
SOLUCIÓN
VALOR
GEOMETRIA
DEL
RECIPIENTE
DE
ALMACENAMI
ENTO
SISTEMA
ANTI
APELMAZA
NTE
Funcionabilidad 25 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75 3 0.75
Operatividad 15 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30
Seguridad 15 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45
Posibilidad de
construcción 15 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45 3 0.45
Residuos 15 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30 2 0.30
Mantenimiento 10 2 0.20 2 0.20 2 0.20 2 0.20 2 0.20 2 0.20 2 0.20
Estética 5 2 0.10 2 0.10 2 0.10 2 0.10 2 0.10 2 0.10 2 0.10
Total 100 2.55 2.55 2.55 2.55 2.55 2.55 2.55
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS R., 2010
60
3.4.Decisión de alternativa seleccionada
De acuerdo con todas las opciones antes mencionadas en las matrices
identificamos que las mejores opciones son las que cumplen con las consideraciones
previas del ítem 3, se decidió por el siguiente sistema de dosificación.
El sistema de dosificación más adecuado a implementarse en concordancia con todos
los resultados es el dosificador a gravedad de carga regulable, éste cumple con valores
altos en la matriz de decisión obteniendo los siguientes resultados: funcionabilidad
(4), energía (4), seguridad (4), mantenimiento (4), posibilidad de construcción (3), los
residuos del equipo (4) y operatividad siendo estos los de mayor importancia, dando
como resultado un valor total de 3.95 que es de aceptable a excelente de acuerdo a las
operaciones algebraicas de ponderación.
La siguiente tabla muestra el resumen del sistema de dosificación ganador en la matriz
de decisión.
Tabla N° 26. Calificación del sistema de dosificación seleccionado
SISTEMA DE DOSIFICACIÓN
ESCOGIDO
CRITERIOS DE CALIFICACION CARACTERISTICAS
FU
NC
ION
AB
ILID
AD
SE
GU
RID
AD
EN
ER
GÍA
PO
SIB
ILID
AD
DE
CO
NS
TR
UC
CIÓ
N
CO
MP
AT
IBIL
IDA
D
OP
ER
AT
IVID
AD
PR
OT
EC
CIÓ
N D
EL
CO
MP
UE
ST
O
MA
NT
EN
IMIE
NT
O
VID
A U
TIL
CO
ST
OS
RE
SID
UO
S
ES
TÉ
TIC
A
ER
GO
NO
MÍA
TA
MA
ÑO
VA
LO
R T
OT
AL
Provisto del equipo
dosificador. En el que
se mantiene por medio
de una válvula de
boya una carga
constante sobre un
orificio sumergido. El
tamaño del orificio se
gradúa para obtener la
dosificación deseada
LIQUIDO A
GRAVEDAD
CARGA
REGULABLE
4 4 4 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 3.95
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS R., 2010
El coagulante escogido para nuestro sistema de dosificación, con relación a los
porcentajes de ponderación, es el sulfato de aluminio, este cumple con los siguientes
requisitos: disolución del compuesto químico valor (3), control de la cantidad de
61
compuesto químico valor (3), almacenamiento de la sustancia valor (3), adición del
químico en polvo/líquido a la cámara de mezclado valor (3), dosificación de la
solución valor (3), geometría del recipiente de almacenamiento (3), sistema anti
apelmazante (3). Se obtiene el resultado de 3 que indica que es aceptable de acuerdo
a las operaciones algebraicas realizadas.
En la siguiente tabla se muestra el resumen de calificación del compuesto químico
escogido.
Tabla N° 27. Calificación del compuesto químico seleccionado
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: FLEITAS R., 2010
3.5.Diseño de detalle
Después de la evaluación de todas las alternativas de dosificación, ya
establecimos el sistema propuesto, que será el dosificador de solución de carga
regulable constante de orificio, el mismo que requerirá varios accesorios, los cuales
son completamente asequibles y se empleará el compuesto químico que es el sulfato
de aluminio en solución.
En el capítulo posterior se afinará más detalles del diseño, este es un boceto inicial de
esta idea, más adelante se obtendrá el diseño final con medidas, alturas, tamaño del
sistema, y sinfín de datos iniciales que se necesitan para el proyecto.
COAGULANTE
ESCOGIDO
CRITERIOS DE CALIFICACION CARACTERISTICAS
DIS
OL
UC
IÓN
DE
L
CO
MP
UE
ST
O
QU
ÍMIC
O V
AL
OR
CO
NT
RO
L D
E L
A
CA
NT
IDA
D D
E
CO
MP
UE
ST
O
QU
IMIC
O
VA
LO
R
AL
MA
CE
NA
MIE
NT
O D
E L
A S
US
TA
NC
IA
VA
LO
R
AD
ICIÓ
N D
EL
QU
ÍMIC
O E
N
PO
LV
O/L
IQU
IDO
A L
A
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DE
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LA
DO
VA
LO
R
DO
SIF
ICA
CIÓ
N D
E
LA
SO
LU
CIÓ
N V
AL
OR
GE
OM
ET
RÍA
DE
L
RE
CIP
IEN
TE
DE
AL
MA
CE
NA
MIE
NT
O
SIS
TE
MA
AN
TI
AP
EL
MA
ZA
NT
E
Disponibilidad
inmediata
Bajo costo
Sirve para
diferentes tipos de
agua
SULFATO DE
ALUMINIO 3 3 3 3 3 3 3
62
Figura N°25. Esquema del sistema de dosificación de coagulante de carga regulable
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
63
CAPÍTULO IV
4. DISEÑO DEL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN
4.1.Requerimientos de diseño
Los requerimientos de diseño establecidos son los parámetros representativos
considerados para el diseño de un sistema de dosificación de coagulante.
4.1.1. Tamaño de la Planta. –
Existe tres tipos de Plantas: pequeñas, medianas y grandes, las mismas que se
han clasificado por el modo de operación de estas, es decir para poblaciones grandes
se necesita Plantas potabilizadoras grandes y medianas en donde se cuente con energía
eléctrica en forma continua. Las Plantas grandes brindan caudales mayores a 1000 l/s,
mientras que las medianas llegan hasta los 1000 l/s y las pequeñas hasta 20 l/s.
Tamaño de la Planta: Pequeña
4.1.2. Caudal de diseño de la Planta. -
El caudal se obtiene del diseño final de toda la Planta potabilizadora, es decir
la Planta actualmente se encuentra construida y ha sido diseñada para un caudal de
operación de 10l/s. La planta portátil a la que se hace referencia en este trabajo fue un
donativo del Instituto Ecuatoriano de Obras Sanitarias (I.E.O.S.), diseñada, construida
e instalada en el Laboratorio de Hidráulica con la colaboración del Doctor Carlos
Argudo E. (Jefe del Departamento de Aguas y Microbiología- Ex- I.E.O.S) y el
Ingeniero Gustavo Ruiz M. (Director del Proyecto Planta Piloto- UCE), teniendo la
particularidad de ser desmontable y fácilmente transportada a sitios alejados donde se
requiera agua para consumo humano, sin recurrir necesariamente a la construcción de
una Planta definitiva.
Caudal de diseño de la Planta: Hasta 20 l/s
64
4.1.3. Tipo de fabricación. -
La fabricación de este sistema de dosificación es local, es decir se puede
construir en sitio con materiales adecuados y permitidos por la NTE INEN 2655:2012
(última versión en vigencia) que es la normativa para el diseño, construcción e
implementación de Plantas potabilizadoras prefabricadas en sistemas públicos de agua
potable en el territorio ecuatoriano, cumpliendo los requisitos y criterios necesarios
que se requieran en el proyecto.
Tipo de fabricación: Local
4.1.4. Periodo de funcionamiento. -
El tanque de solución del coagulante debe tener un período o turno en el cual
va a estar funcionando de manera óptima sin complicaciones; por lo general este turno
de operación es de ocho horas diarias, las cuales pueden extenderse hasta doce horas
siempre y cuando se justifique la razón, en nuestro caso las ocho horas son correctas
por cuanto es una Planta pequeña y su uso no es prolongado.
Periodo de funcionamiento: 9 horas
4.1.5. Histograma de turbiedad (Turbiedad máxima y Turbiedad mínima). -
Este indica las variaciones de la turbiedad del efluente. Se puede realizar año
a año y mes a mes, en tiempo puede ser lluvioso, seco, e intermedio. Si en el análisis
de la fuente se determina que hay problemas de color, es necesario analizar este
parámetro también con un histograma de color.
4.1.6. Concentración de coagulante. -
Es necesario determinar la concentración del coagulante que generalmente este
dato nos da el fabricante, pero se determina de acuerdo al uso que va a tener la Planta.
Para el caso de Plantas pequeñas la concentración es del 2% (20000 mg/L), mientras
que para volúmenes más grandes se necesita concentraciones altas para que no ocupen
más espacio el volumen del tanque de solución.
65
4.1.7. Rango de dosificación (Dm-DM (mg/L)). -
Es necesario determinar previamente con un ensayo de aguas, donde se indique
una curva de dosificación (la dosis óptima de coagulante versus turbiedad del agua
cruda). Este proceso se debe realizar en un periodo de ciclo seco y uno de creciente.
Figura N°26. Modelo de curva de dosificación de coagulante
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: CANEPA DE VARGAS, 2005
4.1.8. Período de almacenamiento T (días o meses). -
Es el tiempo en el cual se va a disponer o almacena el compuesto químico
mientras se adquiere nuevamente el químico en el depósito de almacenamiento.
4.1.9. Peso específico del material por dosificar (δ, kg/m3). -
Este valor es proporcionado por el fabricante, en nuestro caso se
escogió sulfato de aluminio en solución y varía con el compuesto
químico en seco en su peso específico. Peso específico del sulfato de
aluminio en solución 1315 kg/m3 al 8.0% de porcentaje de alúmina.
(QUIMPAC Ecuador S.A., 2015)
66
4.2. Sistema de dosificación de coagulante
El dosificador en solución de orificio de carga constante regulable se diseña
para una carga o volumen constante durante un período de operación de la máquina
(T). Este período se divide para dos, una en el momento de la preparación y otra
mientras está en servicio.
Cada período de funcionamiento (T) es de ocho horas diarias.
En nuestro caso la Planta es pequeña, es por ello que la concentración de coagulante
óptima se la puede regular con una aplicación de agua adicional en la salida del tanque
de solución. Si es el caso de una Planta de gran tamaño el tanque no tiene por qué ser
de gran tamaño, sólo es indispensable diseñar para altas concentraciones de coagulante
aproximadamente del 10% al 20%, mientras que la concentración óptima de
coagulante también se la regula con la aplicación de agua adicional a la salida del
tanque.
El caudal máximo es proporcional para la dosis máxima de coagulante, es decir
con estos datos se diseñarán y construirán las tuberías de conducción, las mismas que
por lo general son de plástico o acero.
4.2.1. Criterio físico de dimensionamiento del depósito de sustancias químicas
En cuanto a las dimensiones de esta instalación, es necesario tener en cuenta
los siguientes criterios: que están relacionados con la capacidad, ubicación y
características del almacenamiento. Estas a su vez están íntimamente relacionadas con
el tamaño de la Planta potabilizadora.
4.2.1.1.Ubicación
El sitio donde se guarda el coagulante o la sustancia química, debe estar cerca
del sistema de dosificación ahorrando tiempo y esfuerzo de traslado de estas sustancias
químicas, el lugar debe ser fresco, seco y ventilado. El almacenamiento y el sistema
67
de dosificación ocupan el mismo espacio. El sistema de dosificación de coagulante
estará ubicado en el Laboratorio de Hidráulica en el costado derecho al ingreso de la
Planta Potabilizadora de agua en la parte trasera del laboratorio.
Figura N°27. Espacio de la Planta potabilizadora en el laboratorio de hidráulica
Fuente: LABORATORIO DE HIDRÁULICA-UNIVERSIDAD CENTRAL DEL
ECUADOR, 2016
Cuando se trata de un sistema grande el almacenamiento de la sustancia
química se debe ubicar en el primer piso para no entorpecer la estructura y
funcionamiento de las Plantas potabilizadoras.
4.2.1.2.Criterios para el dimensionamiento
Se debe tomar en cuenta el origen del producto químico ya que, si es
importado, debe tomarse en cuenta el tiempo que toma su trámite de compra y el
adicional de almacenamiento, esto puede durar varios meses.
Cuando se va a dosificar coagulante en solución, el volumen del
material a depositar se calcula en función de la dosis óptima promedio
(D, g/m3), del caudal de la Plantas al final del período de diseño (Q,
m3/d), del tiempo de almacenamiento (T, días) y del peso específico de
la sustancia respectiva (δ, g/m3). (Canepa de Vargas (2005)
68
𝑉(𝑚3) = 𝐷 𝑥 𝑄 𝑥 𝑇/𝛿 (1)
“La dosis promedio se calculará a partir de la dosis requerida cuando se
produce la turbiedad máxima y la dosis necesaria en época de aguas claras”. (Canepa
de Vargas, 2005, p.20)
Canepa de Vargas (2005), expresa que el área neta que ocupará el material se obtiene
de la siguiente expresión:
𝐴(𝑚2) = 𝑉(𝑚3)/ℎ(𝑚) (2)
Donde la altura de almacenamiento (H) depende del sistema de
transferencia seleccionado. El área de cada ruma se decidirá en función
de las dimensiones de las bolsas del producto por almacenar y del
número de bolsas por considerar a lo largo y a lo ancho. Dividiendo el
área neta calculada en la ecuación (2) entre el área de una ruma, se
definirá el número de rumas que se deberán considerar en el almacén.
(Canepa de Vargas, 2005, p.20)
Para el caso de Plantas grandes y medianas es recomendable que cada sustancia
química tenga un depósito de aglomeración diferente, ya que algunos compuestos
químicos pueden reaccionar químicamente al interactuar entre sí.
Hay dispositivos que detectan cuándo el material está en su nivel mínimo,
mediante sistemas capacitivos que determinan la diferencia de la permisividad de un
dieléctrico, constituido por el producto o por el aire. Otra forma de detectar este nivel
consiste en una membrana que se deforma bajo el peso del producto almacenado y
actúa sobre un interruptor eléctrico. (Canepa de Vargas, 2005, p.20)
69
Dosificadores en solución
“En instalaciones pequeñas, los reactivos líquidos generalmente se adquieren
y almacenan en cilindros, bidones o bombonas. Estos deben estar interiormente
protegidos contra la acción corrosiva del reactivo”. (Canepa de Vargas (2005))
Canepa de Vargas, Lidia, (2005) manifiesta que “en las instalaciones grandes,
las cubas o tanques de almacenamiento de los reactivos se construyen según la
naturaleza de los productos. Pueden ser de acero u hormigón con o sin revestimiento
interno o de material plástico (p.21) (ver figura N°28).
Los sistemas de dosificación en solución son económicamente ventajosos cuando el
reactivo se produce localmente. Los tanques de almacenamiento van equipados con
dispositivos de control de nivel más o menos perfeccionados, que pueden variar desde
un sistema de flotador y vástago con índice que se desplaza sobre una regla graduada.
Figura N°28. Tanques de plástico reforzados con fibra de vidrio
Fuente: PÉREZ CARRIÓN, J. M. Y L. VARGAS, 1992
4.2.2. Criterio químico
Del histograma de turbiedad elaborado de la fuente (Figura N°26. Curva de
Dosificación de Coagulante), se obtiene turbiedad máxima y mínima presentada
durante un año, donde se incluye la curva de dosificación, las dosis máximas y
mínimas. Este dato representativo se obtiene a partir del ensayo de prueba de jarras.
70
Los ensayos previos para determinar la dosis de coagulante son los siguientes:
Análisis físico químico de aguas naturales y para consumo
Análisis bacteriológicos: indicadores coliformes totales y fecales en aguas
naturales y para consumo.
4.3. Cálculo del almacenamiento del coagulante
- Caudal de diseño: 10 l/s
- Rango de dosificación: Dm= 8 mg/L, DM= 80 mg/L (Figura N°26.Curva de
Dosificación de Coagulante)
- período de almacenamiento: 3 meses
- Peso específico del material al 8% de alúmina: 1315 kg/m3
4.3.1. Dimensión del depósito de sulfato de aluminio
1. Dosis promedio
Datos:
Dm= 8 mg/L
DM= 80 mg/L
𝐷 = (𝐷𝑚 + 𝐷𝑀)/2 (3)
Dónde:
Dm= dosis mínima de coagulante
DM= dosis máxima de coagulante
𝐷 = (8 + 80)/2
𝐷 = 44𝑚𝑔
𝑙
71
2. Volumen de almacenamiento requerido
Es el volumen necesario para el almacenamiento del sulfato de aluminio, el
caudal utilizado es el caudal máximo de ingreso de la planta al dosificador Qm=10l/s
ya que este nos permite obtener un volumen máximo de almacenamiento, es decir este
volumen garantiza espacio suficiente en bodega para el compuesto químico.
Datos:
δ= 1315 kg/m3
T= 3 meses =90 días
Qm= 10 l/s => 864 m3/d
𝑉 =𝐷 𝑥 𝑄𝑚 𝑥 𝑇
δx1000 (4)
Dónde:
D= dosis promedio del coagulante
Qm= caudal máximo de ingreso de la planta al dosificador
T= período de almacenamiento en días
δ= peso específico del sulfato de aluminio.
𝑉 =44
𝑚𝑔𝐿 𝑥 864
𝑚3
𝑑 𝑥 90 𝑑
1315𝑘𝑔𝑚3 x1000 L
𝑉 =3421440
1315000= 2.60 𝑚3
72
3. Volumen de tambor de almacenamiento
La presentación del sulfato de aluminio es en tambores de 200 kg, cuyas
dimensiones son: 100 cm de alto y 40 cm de diámetro. Para considerar el espacio de
almacenamiento calculamos el área que ocupa cada tambor. Por motivo de cálculo se
considera que el diámetro es el lado de un cuadrado, para así considerar espacios
muertos entre tambor y tambor.
Datos:
L= 1m
d= 0.40 m
e= 0.05 m
𝑣𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟 = 𝐴. ℎ (5)
Dónde:
vt= volumen del tambor
r= radio del tambor
e= espacio entre tanques
𝑣𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟 =𝑑2𝜋
4. ℎ (6)
𝑣𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟 =0.52𝜋
4. 1
𝑣𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟 = 0.20 𝑚3
4. Número de tanques de almacenamiento
Datos:
𝑁 =𝑉
𝑉𝑡 (7)
Dónde:
N= número de tambores a almacenar
Vt=volumen del tambor
V= volumen de almacenamiento
73
𝑁 =2.60
0.20
𝑁 = 13 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒𝑠.
En este caso no almacenaremos todos los tanques de almacenamiento debido
a que para nuestro diseño sólo necesitamos para los tres meses 4 tanques ya que sólo
van a utilizarse para la semana laborable de trabajo, no es necesario almacenar más
por que termina su período de vida útil y caducarían. El modo de guardar los tambores
del producto químico (Ver Figura N° 30) es el apilamiento por bloque asentándolos
en pallets que en este proyecto es un cubeto.
Figura N°29. Esquema del almacenamiento en bodega del sulfato de aluminio
Fuente: YIXING BLUWAT CHEMCIALS COMPANY, 2012
1. Área neta de almacenamiento
Es la superficie de almacenamiento de bodega, que depende del sistema de
movimiento escogido y el área del almacenamiento estará en función de las
dimensiones de los tambores del producto por guardar y en el número de tambores a
lo largo y ancho.
74
Datos:
N= 6 tanques
b = 2.60 m3
𝐴𝑛 = (𝐵2)𝑥𝑁 (8)
Dónde:
An= área neta
B= lado del tanque
N= número de tanques
𝐴𝑛 = (0.502)𝑥4
𝐴𝑛 = 1 𝑚2
Figura N°30. Sitio propuesto para área de almacenamiento del compuesto químico
Fuente: Laboratorio de Hidráulica-Universidad Central del Ecuador, 2016
2. Cálculo del cubeto para protección
El cubeto (Ver Figura N°31) es una estructura de retención de substancias que
en ella se contiene, evitando así el derrame al medio ambiente del contenido que
almacena. El cubeto esta dimensionado en función del volumen total de los tanques a
contener.
75
Figura N°31. Esquema del cubeto
Fuente: SOLUCIONES CON PAVIMENTOS CONTINUOS, 2015
Dimensionamiento del cubeto:
En el espacio dentro del laboratorio se dispone de un área considerable lo que nos
permite aumentar las dimensiones del cubeto.
Datos:
An= 1.0 m2
l= 1.5 m
a= 1 m
h= 0.25 m
e= 0.10 m
𝑉ℎ𝑜𝑟𝑚𝑖𝑔ó𝑛 = (𝑙. 𝑎. 𝑒) + ((𝑙 + 2𝑒)(𝑎 + 2𝑒)(ℎ)) − (𝑙. 𝑎. 2𝑒) (9)
𝑉ℎ𝑜𝑟𝑚𝑖𝑔ó𝑛 = (1.50𝑥1𝑥0.10) + (1.70𝑥1.20𝑥0.25) − (1.70𝑥1𝑥0.25)
𝑉ℎ𝑜𝑟𝑚𝑖𝑔ó𝑛 = 0.24 𝑚3
76
Por lo tanto, se requiere 0.24m3 de hormigón simple f´c=210 kg/cm2 puesto
que es una obra hidráulica. Este cubeto tiene la capacidad de almacenar el derrame del
producto químico de dos tambores, es decir si ocurre un siniestro el cubeto no
permitirá el derrame hacia al exterior. Investigaciones demuestran que el cubeto debe
guardar siempre la mitad del contenido total que en él se deposita.
Figura N°32. Superficie de hormigón del cubeto
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
4.3.2. Cálculo del sistema de dosificación en solución
- Caudal de diseño: 10 l/s
- Rango de dosificación: Dm= 8 mg/L, DM= 80 mg/L
- Período de funcionamiento: 9 horas (jornada de trabajo).
- Peso específico del material: 1315 kg/m3
- Concentración del 2% para Plantas pequeñas. (El laboratorio de hidráulica
cuenta con una Plantas piloto considerada pequeña).
77
4.3.3. Proceso de cálculo
1. Caudal máximo a dosificar (C=2%)
Datos:
DM= 80 mg/l
Dm= 8 mg/l
𝑞𝑀 =𝑄𝑑∗𝐷𝑀
𝐶 (10)
Dónde:
Dm= dosis mínima de coagulante
Qd= caudal de diseño de la Planta potabilizadora
C= concentración de coagulante
𝑞𝑀 =10 ∗ 80
20000
𝑞𝑀 = 0.04 𝑙/𝑠
𝑞𝑀 = 144 𝑙/ℎ
2. Caudal mínimo a dosificar (C=2%)
Datos:
DM= 80 mg/l
Dm= 8 mg/l
𝑞𝑚 =𝑄𝑑∗𝐷𝑚
𝐶 (11)
78
Dónde:
Dm= dosis mínima de coagulante
Qd= caudal de diseño de la Planta potabilizadora
C= concentración de coagulante
𝑞𝑚 =10∗8
20000 (12)
𝑞𝑚 = 0.004 𝑙/𝑠
𝑞𝑚 = 14.4 𝑙/ℎ
3. Rango del dosificador (C=2%)
𝑅 = 𝑞𝑀 − 𝑞𝑚 (13)
𝑅 = 144 − 14.4 𝑙/ℎ
4. Caudal de dosificación en jornada de trabajo
Datos:
Qd= 10 l/s
Dm= 8 mg/L
DM= 80 mg/L
T= 9 horas
δ= 1315 kg/m3
𝑞 =𝑄𝑑𝑥(𝐷𝑀+𝐷𝑚)
2 (14)
Dónde:
Qd= caudal de diseño de la Planta potabilizadora
Dm= dosis mínima de coagulante
79
DM= dosis máxima de coagulante
T= período de trabajo más la prolongación del tiempo de operación de la Planta
potabilizadora
δ= peso específico del sulfato de aluminio
𝑞 =10
𝑙𝑠 𝑥88
𝑚𝑔𝑙
2
𝑞 = 440 𝑚𝑔/𝑠
𝑞 = 440 𝑚𝑔
𝑠𝑥
1𝑘𝑔
1000000𝑚𝑔𝑥
3600𝑠
1ℎ 𝑥
9ℎ
1 𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎
𝑞 = 14.26𝑘𝑔
𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑥
1𝑚3
1315 𝑘𝑔
𝑞 = 0.0108𝑚3
𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎
𝑞 = 10.8𝑙
𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎
5. Área del tanque de solución
Se considera para el sistema de dosificación un tanque cilíndrico el mismo que
contiene un volumen V=0.0108 m3 de solución.
𝑣 = 𝐴. ℎ (15)
Dónde:
A= área del tanque
h= altura del tanque
80
v= volumen del tanque
𝑉 = 𝑟2𝑥 𝜋 𝑥 ℎ (16)
Ejemplo de cálculo
𝑟 = √𝑣
𝜋𝑥ℎ (17)
𝑟 = √𝑂. 𝑂108
𝜋𝑥0.5
𝑟 = 0.17 𝑚
- Si h= 0.30 m, r= 0.23 m
- Si h= 0.50 m, r= 0.17 m
Se construye un tanque de h= 0.80m y r=0.17 m se aumenta la altura del tanque para
proveer una altura de seguridad (hs=0.30 m).
6. Consumo promedio diario
Es el consumo del reactivo promedio diario calculado en función de la dosis promedio
de coagulante y el caudal de diseño de la Planta potabilizadora.
Datos:
D= 44 mg/l
Qd= 10 l/s
𝑃 = 𝑄𝑑 𝑥 𝐷 (18)
81
Dónde:
D= dosis promedio de coagulante
Qd= caudal de diseño de la Planta potabilizadora
𝑃 = 10 𝑥 44
𝑃 = 440 𝑚𝑔/𝑠
𝑃 = 440 𝑚𝑔
𝑠𝑥
3600𝑠
1 ℎ𝑥
9ℎ
𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎𝑥
1𝑘𝑔
1000000𝑚𝑔
𝑃 = 14.26 𝑘𝑔/𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎
7. Número de días de abastecimiento
El fabricante nos proporciona el producto en un tambor plástico de capacidad de
200kg, el mismo que debe abastecernos del compuesto químico durante 14 días de
trabajo, de acuerdo a los cálculos realizados a continuación.
Datos:
Pb= 200 kg
𝑁° =𝑃𝑏
𝑃𝑜 (19)
Dónde:
Pb= capacidad del tambor de coagulante
Po= Consumo por tanque diario
𝑁° = 200/14.26
𝑁° = 14.03 𝑑í𝑎𝑠
82
8. Caudal de agua adicional a aplicarse a la salida del dosificador
El sulfato de aluminio en su presentación comercial se encuentra al 8% de
concentración de alúmina, para el desarrollo de este proyecto se requiere tener una
concentración del 2%, razón por la cual se genera la necesidad de adición de cierto
volumen de agua.
Experimentalmente para obtener una concentración del 2% partiendo de una solución
al 8% de sulfato de aluminio se debe colocar en una probeta graduada de capacidad
1000 ml, 15.2 ml de sulfato de aluminio y completar con 984.8 ml de agua.
Datos:
Tambor de solución =200 kg
δ= 1315 kg/m3
𝛿 =𝑚
𝑣 (20)
𝑣 =𝑚
𝛿
Dónde:
M= masa del contenido del tambor
δ= densidad del sulfato de aluminio
𝑣 =200 𝑘𝑔
1315𝑘𝑔𝑚3
𝑥 1000000𝑚𝑙
𝑚3
𝑣 = 152091.25 𝑚𝑙
𝑣 = 152091.25 𝑚𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑥 984.8 𝑚𝑙 𝐻2𝑂
15.2 𝑚𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜
83
𝑣 = 9493696.218 𝑚𝑙 𝐻2𝑂
𝑣 = 9493696.218 𝑚𝑙 𝐻2𝑂 𝑥1𝑚3
1000000𝑚𝑙 𝐻2𝑂
𝑣 = 9.49 𝑚3 𝐻2𝑂/𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟
Por lo tanto:
𝑄 = 9493.696 𝑙𝐻2𝑂
𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟
𝑄 = 9493.696 𝑙𝐻2𝑂
𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟𝑥
1 𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟
14. 03 𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜
𝑄 = 676.67 𝑙 𝐻2𝑂
𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎
Resultados del proceso de cálculo:
Tabla N° 28. Resultados del cálculo del dosificador
Caudal de solución 2% 10.8 l/jornada
Volumen de tanque solución 2% 0.0108 m3
Dimensiones del tanque h= 0.8 m, r= 0.17m
Inyección al dosificador de H2O
filtrada de para C=2% 676.67 L/jornada
Rango del dosificador 14.4 - 144 L/h
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: Procedimiento de cálculo, VERA RAISA, Febrero 2016
84
En la Tabla N°30 se presentan los parámetros de selección del sistema de
dosificación de acuerdo a la capacidad del caudal del dosificador.
Tabla N° 29. Selección de capacidad del dosificador por gravedad de orificio de carga
constante
TAMAÑO CAPACIDAD A(mm) B(mm) C(mm) D(mm) E(mm)
ØTub.
De
entrada
ØTub. De
salida
1 0-400 L/h 760 200 400 140 340 3/4'' 1 1/2''
2 0-1000 L/h 760 200 400 140 340 1'' 1 1/2''
3 0-2500 L/h 880 310 530 250 470 1 1/2'' 2''
4 0-4000 L/h 880 310 530 250 470 2'' 2 1/2''
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: PÉREZ CARRIÓN, J. M. Y L. VARGAS, 1992
Las dimensiones A, B, C, D, E corresponden a la ilustración tipo que indica
Canepa de Vargas, (2005) de acuerdo a muestras experimentales en el texto de
referencia. En este diseño se utiliza los diámetros de tubería tanto de entrada y de
salida, establecidos por Pérez Carrión, J. M. y L. Vargas, (1992) como referencia.
85
Tabla N° 30. Procedimiento de cálculos de un sistema de dosificación en solución
PASO DATO UNIDAD CRITERIOS CALCULOS RESULTADOS UNIDAD
1
Q= 10
DM=80
Dm= 8
C=2
L/s
mg/L
mg/L
%
𝑞𝑀 =𝑄 ∗ 𝐷𝑀
𝐶
𝑞𝑀 =10 ∗ 80
20000
𝑞𝑀 = 0.04
𝑞𝑀 = 144
Caudal máximo por
dosificar
L/s
L/h
2
Q= 10
DM=80
Dm= 8
C=2
L/s
mg/L
mg/L
%
𝑞𝑚 =𝑄 ∗ 𝐷𝑚
𝐶
𝑞𝑚 =10 ∗ 8
20000
𝑞𝑚 = 0.004
𝑞𝑚 = 14.4
Caudal mínimo por
dosificar
L/s
L/h
3 𝑅 = 𝑞𝑀 − 𝑞𝑚 𝑅 = 144 − 14.4 Rango del
dosificador L/h
4
Q= 10
DM=80
Dm= 8
C=2
L/s
mg/L
mg/L
%
𝑞 =𝑄𝑥(𝐷𝑀 + 𝐷𝑚)
2
𝑞 =10𝑥88
2
𝑞 = 440 𝑚𝑔/𝑠
𝑞 = 0.0108 𝑚3/𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎
𝑞 = 10.8 𝑙/𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎
Caudal de
dosificación en una
jornada de trabajo
m3/jornda
L/jornada
86
5 T=9 Horas 𝑞 = 𝐷𝑥 𝑄 𝑉 = 10 ∗
88
2
𝑉 = 0.0108 𝑚3
Volumen del
tanque de solución
para C=2%
m3
6
𝑣= 𝐴.ℎ
𝑟 = √𝑂. 𝑂108
𝜋𝑥0.5
𝑟 = 0.17
ℎ = 0.80
Área del tanque de
solución para C=2% M2
7 𝑃 = 𝑄 𝑥 𝐷
𝑃 = 10 𝑥 44
𝑃 = 440 𝑚𝑔/𝑠
𝑃 = 14.26 𝑘𝑔/𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎
Consumo promedio
diario
Mg/s
Kg/jornada
8 Pb=200 Kg 𝑁° = 𝑃𝑏/𝑃𝑜
𝑁° = 200/14.26
𝑁° = 14.03 𝑑𝑖𝑎𝑠
Abastecimiento de
una caneca de 200kg
del compuesto
químico
días
9 Tambor =200
δ= 1315
Kg
kg/m3 𝑣 =
𝑚
𝛿
𝑣 =200
1315𝑥100000
𝑚𝑙
𝑚3
𝑣 = 152091.25 𝑚𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 𝑥 984.8 𝑚𝑙 𝐻2𝑂
15.2 𝑚𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜
𝑄 = 9493.696 𝑙𝐻2𝑂
𝑡𝑎𝑚𝑏𝑜𝑟
𝑄 = 676.67 𝑙 𝐻2𝑂
𝑗𝑜𝑟𝑛𝑎𝑑𝑎
Caudal de agua
adicional que se
aplicara a la salida del
dosificador
L/tambor
L/jornada
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: PÉREZ CARRIÓN, J. M. Y L. VARGAS, 1992
87
SI
NO
SI NO
CAPACIDAD
CARACTERISTICAS
DE LOS COAGULANTES
CARACTERISTICAS
DE TANQUES DE
SOLUCIÓN
CARACTERISTICAS DE
TANQUES DE SOLUTO
CARACTERISTICAS DE
LOS DOSIFICADORES
4.3.4. Diagrama de flujo del proceso de cálculo del sistema de dosificación
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: PÉREZ CARRIÓN, J. M. Y L. VARGAS, 1992
A
CAUDAL
DOSIS MÁXIMA DOSIS MINIMA
CONCENTRACIÓN
INTERVALO DE LLENADO
NÚMERO DE TANQUES
VOLUMEN DE CADA TANQUE
ANCHO
LONGITUD
ALTURA
VOLUMEN
LONGITUD
ANCHO
ALTURA
CAPACIDAD MAXIMA
B
CAPACIDAD MINIMA
88
4.3.5. Esquema de representación del diseño
Figura N°33. Representación del sistema de dosificación
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
89
CAPÍTULO V
5. FACTIBILIDAD DE LA PROPUESTA
5.1.Resumen final del diseño del sistema de dosificación del coagulante
El diseño contempla varios parámetros de dimensiones estándar, las cuales
pueden ser utilizadas de manera eficiente siempre y cuando cumplan con los
requerimientos. Estos requerimientos están explicados en el capítulo anterior, por lo
que sólo mencionaremos lo indispensable para su ejecución.
Tabla N° 31. Consideraciones previas para el sistema de dosificación
CONSIDERACIONES PREVIAS
Tamaño de la Planta: Pequeña o mediana
Caudal de diseño de la Planta: 10 l/s
Tipo de fabricación: Local
Periodo de funcionamiento: 9 horas.
Registro de Turbiedad máxima y
Turbiedad mínima. Histograma de
turbiedad (Figura N°20).
60-700 NTU
Concentración de coagulante 2%
Rango de dosificación (Dm-DM
mg/L) 8-80 mg/L
Volumen del tanque de solución 0.0108 m3
Periodo de almacenamiento: T
(días o meses) 90 días
Peso específico del material por
dosificar (δ, kg/m3) 1315 kg/m3
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
90
5.2.Selección de materiales para la construcción del sistema
El sistema se encuentra en contacto directo con productos corrosivos, razón
por la cual cualquier material a emplearse debe tener alta resistencia a la corrosión.
Por lo tanto, se debe construir el recipiente de dosificación de tal manera que resista
su efecto. Este sistema va a tratar agua para consumo humano, lo cual hace que se
utilice materiales empleados en la industria alimenticia.
Entre los diversos tipos de materiales para la construcción y fabricación de Plantas de
agua potable son el polietileno, dentro de este grupo puede ser polietileno de alta
densidad (PEAD), lámina de acero al carbón y acero inoxidable AISI 304. Estos
materiales son los más convencionales, puesto que cualquier obra civil las requiere
siempre y cuando sean destinadas para este tipo de obras.
La siguiente tabla resume los materiales que se va a utilizar para la construcción del
sistema de dosificador.
Tabla N° 32. Lista de materiales por utilizar
LISTA DE MATERIALES
Polietileno
Tubería y accesorios PVC
Acero inoxidable ANSI 304
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Fuente: QUIMERK CIA. LTDA., 2015
Propongo construir el sistema con acero inoxidable ANSI 304 (dos planchas
para su construcción, de dimensiones 2.40 m x 1.20 m, e= 4mm) con tubería y
accesorios de PVC, además de válvulas de acero galvanizado. Esta solución es muy
conveniente en el tema económico, no es corrosivo, cumple con la normativa técnica
y calidad vigente. Este sistema es muy versátil sirve para cualquier tipo de agua y es
adecuado en espacios pequeños por su sencilla y fácil instalación.
91
5.2.1. Construcción y calibración del equipo dosificador
De acuerdo a los cálculos anteriores el volumen del tanque de solución 2% de
sulfato de aluminio es de 0.0108 m3 y proponemos las siguientes dimensiones para el
máximo aprovechamiento del espacio, satisfaciendo las necesidades de la Planta
potabilizadora.
Se propone un tanque de almacenamiento circular de las siguientes medidas:
V (volumen)= 0.0108 m3
H (altura)= 0.80 m
r (radio)= 0.17m
Figura N°34. Dimensiones del dosificador
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
5.2.1.1. Accesorios y especificaciones
- Válvula de Boya o Flotador: Esta válvula es ideal para la
aplicación en estos tanques que requieren el llenado automático y
constante. Especificaciones: rosca hembra BSPT de ½ a 1 ½” de
PVC, flotador de PVC presión máx. 150 PSI.
(http://www.provindus.com.py/Contenidos/Productos, 2015)
92
- Válvulas de entrada y salida: Además para la entrada y salida de
coagulante se dispuso de las conocidas “Válvulas de corte”, las
cuales estarán completamente abiertas para dejar salir o entrar el
coagulante, o cerrada evitando el llenado y salida del coagulante.
Especificaciones: Las válvulas deberán ser de paso integral, según
la norma UNE-EN 1074-2:2001, esto significa que el diámetro de
asiento no sea inferior al 90% del diámetro nominal interior del
extremo del cuerpo. Las roscas de los hilos hembra serán del tipo
NPT y cumplirán con la Norma INEN 117. Se inspeccionará de
acuerdo a la norma AWWA C800. (ESPECIFICACIONES
TECNICAS DEL DMQ EPMAPS, 2015)
- Grifo para vaciado: Es una válvula de paso que vaciara el tanque
de solución cuando haya mantenimiento y limpieza. Se colocará en
la parte baja del tanque. La válvula de corte tipo capuchón con
cierre de bola (1/2 vuelta) y cumplirá: Fundición en forja: norma
ASTM B 124 aleaciones C37700 y C37710; rango de los elementos
químicos: Cu%55 - 70, Zn%24 - 38 y el Pb%0.5 - 3.0
- Tubo de PVC: roscado de ½’’de entrada y ½’’ de salida.
- Sistema roscado ‘’hembra’’, conectado a un tubo de una
dimensión suficiente para poderlo controlar desde la parte superior
del equipo. Las roscas hilo hembra serán del tipo BSPT o NPT hasta
un diámetro de 1" y superiores a 1" será NPT cumpliendo con la
Norma INEN 117.
- Tanque de almacenamiento: Se empleará acero AINSI 304
(Anexo n° 4) el cual presenta un excelente comportamiento para la
industria química, instalaciones criogénicas, tanques de
almacenamiento de cervezas, equipos para lácteos, tanques para
bebidas carbonatadas. Este tanque por su capacidad anticorrosiva,
sellos, variedad de piezas empatadas servirá para el sistema de
dosificador de coagulante del sulfato de aluminio.
93
Figura N°35. Esquema del equipo dosificador vista lateral
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
Figura N°36. Accesorios del tanque dosificador
Elaborado por: VERA RAISA, Febrero 2016
5.2.1.2. Funcionamiento
El sistema de funcionamiento de este dosificador conformado por las partes
mencionadas anteriormente, tiene como finalidad controlar de una manera natural y
con una sensibilidad aceptable el caudal del coagulante.
El tubo roscado puede tener una ranura de 1mm de ancho y 150mm de alto, debido a
que la Planta funciona con caudales de agua cruda no mayores a 10L/s, esto nos da
94
como resultado una alta sensibilidad del sistema de dosificación. Es por ello que el
caudal de coagulante necesario es muy bajo.
El sistema de dosificación se regula por el número de vueltas del equipo, en la
variación de la porción del caudal, de acuerdo a esto se abrirá la ranura con su
respectiva calibración, número de vueltas y todo lo que se necesita para obtener el
volumen de coagulante máximo, resultante del análisis de las turbiedades.
5.3. Presupuesto referencial de la construcción del proyecto
Tabla N° 33. Presupuesto referencial de construcción
PROYECTO: SISTEMA DE DOSIFICACIÓN DE COAGULANTE UCE
ELABORADO POR: RAISA VERA MEDINA
UBICACION : LABORATORIO DE HIDRAULICA UCE FICFM
FECHA : MAYO/2016
TABLA DE CANTIDADES Y PRECIOS
Nro COL. 1 CODIGO DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD P.UNITARIO TOTAL
1
SISTEMA DE DOSIFICACION
DE COAGULANTE
2 1 502107
ACERO AISI 304 4MM
INTERIOR (SUMINISTRO,
CORTE Y COLOCADO) Kg 1,857.52 0.80 1,486.02
3 2 514543
TRABAJO DE SOLDADO Y AMADO DE ESTRUCTURA DE
ACERO Kg 1,857.52 0.20 371.50
4 3 502213 TUBERIA PVC ROSCABLE 1/2" (PROVISION E INSTALACION) m 2.00 5.00 10.00
5 4 514938
GRIFO VACIADOR ROSCABLE
1/2" (PROVISION E
INSTALACION) u 1.00 3.48 3.48
6 5 514641
VÁLVULA DE CORTE
ENTRADA Y SALIDA DEL
DESAGUE u 2.00 3.58 7.16
7 6 514643
SULFATO DE ALUMINIO
SOLUCIÓN Kg 400.00 0.35 140.00
8 7 501703 VÁLVULA DE FLOTADOR u 2.00 8.00 16.00
9 8 502805 INTERRUPTOR DE NIVEL u 1.00 5.00 5.00
10 9 504567
HORMIGÓN SIMPLE F´C=210
KG/CM2( INCL. ENCOFRADO Y DESENCOFRADO) m3 0.28 120.40 33.71
TOTAL: 2,072.87
SON : DOS MIL SETENTA Y DOS CON OCHENTA Y SIETE CENTAVOS
Elaborado por: VERA RAISA, Junio 2016
95
5.4. Cronograma de ejecución del proyecto
Tabla N° 34. Cronograma valorado de trabajos
ITEM CODIGO DESCRIPCION UNIDAD CANTIDAD P.UNITARIO TOTAL semana 1 semana 2 semana 3 semana 4
SISTEMA DE DOSIFICACION DE COAGULANTE 2,039.16
743.008 743.008
185.752 185.752
5 5
3.48
7.16
140.00
16.00
5.00
33.71
2,072.87
MONTO PARCIAL 928.76 928.76 5.00 210.35
PORCENTAJE PARCIAL 44.81 44.81 0.24 10.15
RAISA CRISTINA VERA MEDINA MONTO ACUMULADO 928.76 1,857.52 1,862.52 2,072.87
PORCENTAJE ACUMULADO 44.81 89.61 89.85 100.00
5
6
7
8
CRONOGRAMA VALORADO DE TRABAJOSOBRA: SISTEMA DE DOSIFICACIÓN DE COAGULANTE UCE
1
2
3
4
Kg
Kg
m
u
u
Kg
u
u
1857.52
1857.52
2
1
2
400
2
1 5.00
16.00
5.00
0.80
0.20
5.00
3.48
3.58
SULFATO DE ALUMINIO SOLUCIÓN
VÁLVULA DE FLOTADOR
INTERRUPTOR DE NIVEL
1,486.02
371.50
10.00
3.48
7.16
140.00
ACERO AISI 304 4MM INTERIOR (SUMINISTRO, CORTE Y COLOCADO)
TRABAJO DE SOLDADO Y AMADO DE ESTRUCTURA DE ACERO
TUBERIA PVC ROSCABLE 1/2" (PROVISION E INSTALACION)
GRIFO VACIADOR ROSCABLE 1/2" (PROVISION E INSTALACION)
VÁLVULA DE CORTE ENTRADA Y SALIDA DEL DESAGUE
0.35
8.00501703
502805
502107
514543
502213
514938
514641
514643
0.28 120.40 33.718 502805 HORMIGÓN SIMPLE F´C=210 KG/CM2( INCL. ENCOFRADO Y DESENCOFRADO) m3
Elaborado por: VERA RAISA, Junio 2016
96
5.5. Control del sistema
Cualquier tipo de Plantas debe contar con un pequeño laboratorio de control
de todos los procesos y para este no es la excepción, es necesario controlar los
parámetros básicos como son: turbiedad, color, pH, alcalinidad, cloro residual y
coliformes fecales o termotolerantes. Cuando no existe control lo más probable es que
no haya eficiencia en la Planta, es decir no se cumple con los objetivos principales
para los cuales ha sido utilizada, que es potabilizar el agua.
Es necesario contar con al menos una pequeña área provista de un tablero de trabajo
con lavadero para operar los equipos en el momento de realizar las pruebas.
Los equipos mínimos que se necesitan para un laboratorio de control de procesos de
la Plantas son:
Turbidímetro nefelómetro,
Medidor de pH,
Bureta,
Termómetro,
Sistema de prueba de jarras con deflectores y comparador de
cloro,
Elementos de vidrio: vasos de precipitación, pipetas, baguetas,
entre otros.
Varios: papel whatman 40, embudos de plástico y vasos del
mismo material.
Sistema portátil de coliformes totales y termotolerantes que
realizara por el método de las membranas.
97
CAPÍTULO VI
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1. Conclusiones
El presente proyecto indica que el mejor sistema para la dosificación de
coagulante es el dosificador de orificio de carga constante regulable, por la
comparación entre varios sistemas de dosificación mediante una matriz
comparativa cuantitativa de varios criterios de discriminación, en donde el
resultado obtenido indica que la mejor propuesta es el dosificador de carga
regulable antes mencionado.
El documento muestra las medidas de selección del compuesto químico a
emplearse en la Planta potabilizadora ubicada en el laboratorio de Hidráulica
en base a ciertos criterios como: es la disolución en agua, almacenamiento,
adición del compuesto químico, entre otros, en donde el sulfato de aluminio en
solución cumple con las condiciones técnicas más favorables de
implementación.
Este trabajo muestra que el diseño del sistema de dosificación de coagulante
químico cumple y se adapta con las necesidades de la Planta Potabilizadora
laboratorio de Hidráulica, cuyo diseño es anticorrosivo, anatómico, económico
y reduce la sedimentación del compuesto químico en el recipiente del
dosificador.
Se concluye que el mecanismo más sencillo a emplearse para efectuar la
mezcla es la adición de un caudal constante de agua filtrada en la salida de
coagulante dentro del cono de mezcla.
6.2. Recomendaciones
Es necesario un control en el funcionamiento tanto del dosificador de
coagulante como de las válvulas reguladoras de caudal, en determinados lapsos
de tiempo, por parte de los operarios de la Planta.
Se debe siempre contar con un control de cumplimiento de los rangos de
calidad del agua cruda a tratar, tanto en turbiedad, color, caudal, entre otros,
98
ya que si no se cumple con estas condiciones la eficiencia del sistema de
dosificación es reducida.
Se deben hacer las pruebas y ensayos de laboratorio periódicamente a fin de
definir las dosis de coagulante exactas, ya que al final este proceso es el que
asegura la eficiencia de los subsiguientes, es decir al concluir todo el proceso
de potabilización, el agua cruda ingresada termina siendo apta para el consumo
humano.
Para evitar un incorrecto funcionamiento del dispositivo de dosificación de
coagulante, es importante ejecutar un mantenimiento mensual a todo el sistema
integral debido a que suelen existir impurezas en el dosificador que pueda
afectar su trabajo.
Se recomienda que para la operación del sistema el caudal del proceso no
exceda los 10 l/s, para el buen funcionamiento de flotación del sistema de
dosificación, mientras que el caudal de diseño debe estar lo más cercano
posible con el que fue diseñada la Planta Qd= 20 l/s, para que las velocidades
estén próximas a las velocidades recomendadas, si se desea realizar un
rediseño posterior.
Se debe mantener siempre en stock el coagulante en solución, tener
aproximadamente en reserva durante tres meses y mantener siempre las tres
cuartas partes del tanque del dosificador lleno para así evitar la reducción de
coagulante ya que las pruebas experimentales de dosificadores ya construidos
se han realizado conservando esta norma y obteniendo excelentes resultados.
99
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
LIBROS CON EDITOR
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Water Treatment Plant Performance Using the Composite Correction
Program”. Washington, EEUU. Editorial: EPA.
2. Canepa de Vargas, L. (1992). Mejoramiento de la Calidad del Agua para
Consumo Humano. Manual VI. Operación. Serie Filtración Rápida. Lima,
Perú. Editorial: Programa Regional HPE/CEPIS/OPS.
3. Canepa de Vargas, L. (1992). Mejoramiento de la Calidad del Agua para
Consumo Humano. Manual V. Criterios de diseño. Serie Filtración Rápida.
Lima, Perú. Editorial: Programa Regional HPE/CEPIS/OPS.
4. Canepa de Vargas, L. (1992). Mejoramiento de la Calidad del Agua para
Consumo Humano. Manual I. Teoría. Serie Filtración Rápida. Lima, CEPIS.
Editorial: Programa Regional HPE/OPS/CEPIS
5. Canepa de Vargas, L. (2005). Estudios e ilustraciones de archivos personales.
Lima, Perú. Editorial: Programa Regional HPE/CEPIS/OPS.
6. Pérez Carrión, J. M. (1982). Manejo de sustancias químicas. Lima, Perú
Editorial: Programa Regional HPE/CEPIS/OPS.
7. Pérez Carrión, J. M. y L. Vargas. (1992). Criterios de diseño para la
dosificación y mezcla rápida. Tomo I, Manual III: Diseño. Lima, Perú
Editorial: Programa Regional HPE/CEPIS/OPS.
VERSION ELECTRÓNICA DE LIBRO IMPRESO
8. Andía Cárdenas, Y. (2000). Tratamiento de agua: coagulación floculación.
Lima, Perú. Recuperado de http://www.sedapal.com.pe
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9. Canepa de Vargas, L. (2005). Manual IV: Operación, mantenimiento y control
de calidad. Recuperado de www.bvsde.paho.org/bvsatr/fulltext:
http://www.bvsde.paho.org /bvsatr/fulltext/tratamiento/manual4/manual4.htm
10. Canepa de Vargas, L. (2005). Operación de plantas convencionales y de
tecnología apropiada. Recuperado de http://www.bvsde.paho.org
/bvsatr/fulltext/tratamiento/manual4/cap2.pdf
100
11. Barrenechea Martel, Ada. (2001). Coagulación. Recuperado de
http://www.bvsde.paho.org/bvsatr/fulltext/tratamiento/manualI/tomoI/cuatro.
pdf.
12. Compañía de Tecnología de Saneamiento Ambiental-CETESB. (1977).
Técnicas de abastecimiento y tratamiento de agua. São Paulo, Brasil.
Recuperado de http://www.infoescola.com/empresas/companhia-de-
tecnologia-de-saneamento-ambiental-cetesb/
13. NTE INEN 2655:2012. (2012). Implementación de plantas potabilizadoras
prefabricadas en sistemas públicos de agua potable Recuperado de
https://law.resource.org/pub/ec/ibr/ec.nte.2655.2012.pdf
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TESIS
14. Calle Idrovo, L. D. y Zambrano Torres C. A. (2015). Optimización del proceso
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potable de Bayas. Universidad de Cuenca, Cuenca. Recuperado de
http://dspace.ucuenca.edu.ec/handle/123456789/22162
15. Fleitas R., J. T. (2010). Diseño de dosificadores de sustancias químicas
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mecánica de la Universidad Central de Venezuela, Caracas. Recuperado de
http://bibliomec.ing.ucv.ve/cgiwin/be_alex.exe?Acceso=T041400005495/0&
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PÁGINAS WEB
16. Indostra. (2013). Sistemas integrales de dosificación de químicos. Guayaquil,
Ecuador. Recuperado de http://indostra.com/productos/sistemas/dosificacion-
de-quimicos
17. Quimpac Ecuador S. A. (2013). Sulfato de Aluminio en solución. Recuperado
dehttp://www.proquimsaec.com/images/esp_tecnicas/FT_42_Sulfato_Alumi
nio_en_solucion_Grado_2_%20tipo_B_QUIMPAC_1010L.pdf
101
DOCUMENTOS ANEXOS
102
ANEXO 1.
Ficha técnica del coagulante de sulfato de aluminio
103
104
105
106
107
108
109
110
ANEXO 2
Sistemas integrales de dosificación de químicos
111
112
113
114
115
116
117
118
119
ANEXO 3.
Pruebas de Jarras para encontrar la dosis optima de coagulante.
120
EQUIPO:
Equipo de 6 jarras de 2 litros cada una.
INSTRUCCIONES:
Comprobar que las jarras estén ubicadas en el centro.
Vigilar que las paletas estén en el centro.
Encender el equipo y las lámparas.
Programar la agitación rápida.
Programar la agitación lenta.
Ejecución de la prueba.
Apagar el sistema.
Desconectar y limpiar completamente el equipo.
PROCEDIMIENTO
Las pruebas de jarras se utilizan para determinar la dosis más efectiva de coagulante
para un agua específica durante el control de la coagulación y floculación en una
Plantas de tratamiento.
“Colocar un vaso de 2 litros debajo de cada una de las paletas de agitación.
Colocar en cada vaso exactamente 2 litros medidos con una probeta graduada,
de una muestra fresca de agua cruda.
Anotar la cantidad de coagulante que se debe añadir a cada vaso. Esta cantidad
variará de vaso en vaso.
Con jeringas, añadir el coagulante en cantidades crecientes en vasos sucesivos.
Por ejemplo: 10 mg/l en el vaso #1, 20 mg/l en el vaso #2, etc.
Colocar las paletas de agitación dentro de los vasos, arrancar el agitador y
operarlo durante un minuto.
Reducir la velocidad al grado seleccionado de agitación (40 rpm) y permitir la
agitación continúe durante 15 min. (Condiciones de operación de la
floculación de la Planta).
121
A los 2 min de iniciado la agitación, con jeringas, añadir 0.4 mg/l de ayudante
de coagulante a todas las jarras.
Una vez que transcurre el tiempo de agitación, bajar las revoluciones a 2 rpm
por 20 min, lo que simularía el proceso de sedimentación en la Planta.
Después de permitir que el flóculo sedimente por 20 min, determinar el color
y la turbiedad del sobrenadante (el líquido por encima de los flóculos).
Anotar los resultados y de acuerdo a estos, determinar la dosis óptima de
coagulante.” (CALLE I. LEONARDO, ZAMBRANO T. CESAR, 2015)
Determinación del Volumen de sustancia coagulante en función de la dosis.
𝑽∗𝑫=𝒗∗𝒄
V= Volumen de agua cruda (l).
D= Dosis de coagulante a adicionar (mg/l).
v= Volumen de coagulante a adicionar (l).
c= Concentración de coagulante (mg/l).
Por ejemplo, para una dosis de 10 mg/l.
V= 2 L Volumen de Jarra en el equipo.
D= 10 mg/l.
c= 2% = 20000 mg/l
𝒗=𝑉∗𝐷𝑐
𝒗=2L∗10 𝑚𝑔/𝑙*20000 𝑚𝑔/𝑙
𝒗=𝟎.𝟎𝟎𝟏 𝒍=𝟏 𝒄𝒎𝟑
122
ANEXO 4
Acero inoxidable AISI 304
123
124
125
GLOSARIO
1. Plantas prefabricadas. Sistema constituido por un conjunto de elementos,
técnicamente diseñados y construidos en fábricas utilizando materiales inocuos
para producir agua potable.
2. Tratamiento de ciclo completo. Tecnología que incluye los procesos unitarios
de coagulación química, floculación, sedimentación y filtración rápida.
3. Caudal de diseño. Caudal con el cual se diseñan los equipos, dispositivos y
estructuras de un sistema determinado.
4. Agitación hidráulica. Movimiento obtenido al aprovechar la energía del agua
para producir turbulencia.
5. Agitación mecánica. Movimiento del agua obtenido mediante dispositivos
mecánicos (paletas, aspas, etc.) para producir turbulencia.
6. Agua cruda. Agua que no ha sido sometida a proceso de tratamiento.
7. Aeración. Proceso en el que se produce un contacto entre el aire y el agua con
el objetivo de oxigenarla o de excluir gases o sustancias volátiles.
8. Aireador. Elemento o equipo que permite transferir aire desde la atmosfera al
agua.
9. Capacidad hidráulica. Caudal máximo que puede manejar un componente o
una estructura hidráulica dentro de sus condiciones extremas de operación.
10. Caudal nominal. Caudal que puede procesar la planta prefabricada cumpliendo
con las condiciones hidráulicas de diseño.
11. Coagulación. Desestabilización de partículas coloidales presentes en el agua
cruda a partir de la adición de sustancias químicas denominadas coagulantes.
12. Coagulantes. Sustancias químicas adicionadas en el proceso de tratamiento que
reaccionan con el agua cruda, formando subproductos que interactúan con las
partículas presentes ocasionando su desestabilización electrostática.
13. Coeficiente de uniformidad. Parámetro que caracteriza los materiales
granulares, el cual representa la relación entre el diámetro por debajo del cual
se encuentra el 60% de menor tamaño y el tamaño efectivo (10%).
14. Difusor. Dispositivo para dispersar un fluido en otro.
126
15. Dosificación. Acción mediante la cual se adiciona de manera controlada una
sustancia química al agua.
16. Dosis óptima. Cantidad de una sustancia dosificada que produce la mayor
eficiencia de reacción en un proceso químico.
17. Eficiencia de remoción. Medida de la efectividad de un proceso en la remoción
de una sustancia específica.
18. Filtración. Proceso mediante el cual se remueven las partículas suspendidas y
coloidales del agua al hacerlas pasar a través de un medio poroso.
19. Floculación. Aglutinación de partículas desestabilizadas, inducida por una
agitación lenta de la suspensión coagulada.
20. Gradiente de velocidad medio. Parámetro que refleja la intensidad de agitación
de una masa liquida inducida por métodos mecánicos o hidráulicos.
21. Granulometría. Distribución del tamaño de los granos o partículas de un
material filtrante de acuerdo a una escala de clasificación.
22. Lecho filtrante. Medio constituido por material granular poroso por el cual
percola un flujo.
23. Mantenimiento. Conjunto de acciones que se ejecutan en las instalaciones y/o
equipos para prevenir daños o para la reparación de los mismos cuando se
producen.
24. Válvula solenoide. una válvula solenoide es una válvula eléctrica utilizada para
controlar el paso de gas (sistemas neumáticos) o fluidos (sistemas hidráulicos).
Este tipo de válvulas se suelen utilizar en sitios de difícil acceso, en sistemas
multi-válvula y en sitios de ambiente peligroso. las válvulas solenoides ofrecen
funciones de apertura o cierre total y no se pueden utilizar para la regulación
del flujo de gas o fluido.
127
PLANOS DEL SISTEMA DE DOSIFICACIÓN