Operaciones Unitarias_ Vijes (1) - Santiago Cantoni Chara (5)

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PROYECTO FINAL OPERACIONES UNITARIAS
Diseño del Sistema de Acueducto para el municipio de Vijes al 2046
Universidad Nacional de Colombia, Sede Palmira
Facultad de Ingeniería y Administración
Barreiro Montoya Leidy Lorena, Cantoñi Chara Santiago, Martinez Vargas Mateo,
Montenegro Zuñiga Isabel Alexandra.
Operaciones Unitaria
Alberto Serna Valencia
2021
1. Introducción:
Desde tiempos antiguos la potabilización del agua se ha convertido en una necesidad para el
hombre, el recurso hídrico es un factor primordial en el correcto funcionamiento de nuestro
cuerpo, y debe ser de buenas características con el fin de evitar enfermedades, Según el informe
de la UNESCO, 2020, en el mundo hay cerca de 2.200 millones de personas que carecen del
acceso a agua potable, es por ello que implementar un sistema de acueducto es de vital
importancia para garantizar que el fluido llegue a cada casa de manera constante y de buena
calidad, asegurando el bienestar de la comunidad.
2. Objetivo:
Realizar el diseño del sistema de acueducto para el municipio de Vijes al 2046.
Específicos
● Disponer de un análisis respecto a las partículas a disposición en la evaluación de sus
diámetros por tamiz.
● Encontrar la cantidad de fluido circulante respecto al tiempo teniendo en cuenta la
exploison demográfica de la población a estudiar.
● Diseñar los diferentes contenedores y etapas para el tratamiento de las aguas, teniendo
en cuenta el estudio de las operaciones unitarias realizadas y caracterizadas.
3. Población beneficiada:
Vijes es un municipio del Valle del Cauca, Colombia. Situado en la subregión sur del Valle del
Cauca, se sitúa a 31.4 km de la capital departamental, Cali. Fue fundada el 14 de julio de 1539
por el mariscal Jorge Robledo, cerca al caserío indígena de Ocache con el nombre de Vije o Vija.
Figura 1. Ubicación de Vijes Valle del Cauca.
Fuente:Google Earth Pro 08-09-2021. https://www.googleEarthpro.net
https://www.googleearthpro.net
4. Metodología y resultados.
Para realizar el sistema de acueducto del municipio de Vijes, al sur del Valle del Cauca, dando
cumplimiento a la normativa legal vigente (Resolución 330 de 2017) se realizaron una serie de
procedimientos explicados a continuación:
4.1 Tamizado
El proceso físico del tamizado, es una metodología que permite separar las partículas sólidas
mediante la caracterización y análisis de la muestra de arena estudiada, como su diámetro, peso
por cada distribución del tamaño de la partícula, y número de partículas tamizadas. Con los
valores de cada tamiz se realizaron los respectivos cálculos, para identificar el diámetro
promedio, fracción acumulada tanto la que pasa el tamiz, como la que se queda y el número de
partículas totales respectivamente.
Figura 2:. Ecuaciones utilizadas para el cálculo de la caracterización.
Fuente: Material de clase.
Los datos se tomaron y organizaron en la respectiva tabla, se caracterizó las partículas en las
celdas, siendo las columnas las características y las filas son los datos de cada tamiz en estudio.
Las mallas tuvieron los tamaños de mallas 40, 50, 70, 100, 140, 200 y 270. Entre las
características a evaluar está la apertura en milímetros, la cantidad retenida, el Dpi, la fracción
retenida, la acumulación retenida, la acumulación que pasa, el número de partículas y su
velocidad. Se analizó 527 gramos de arena, presentando un total de 361,44 millones de
partículas. (Tabla 2).
Tabla 1 . Datos de tamizado usando 527 gramos de arena.
Fuente: Material de clase.
TAMIZ Abertura[mm]
Reteni
do [g]
Dpi
[mm]
Fracción
Retenida
Xi
Acumulado
Retenido
Acum
Pasa Ni [part]
40 0,420 0 0 0 0 1 0,000
50 0,297 21 0,3585 0,03985 0,03985 0,96015 328478,780
70 0,210 51 0,2535 0,09677 0,13662 0,86338 2256273,740
100 0,150 71 0,180 0,13472 0,27135 0,72865 8773973,880
140 0,106 171 0,128 0,32448 0,59583 0,40417 58765401,161
200 0,074 121 0,090 0,22960 0,82543 0,17457 119622629,795
270 0,053 61 0,0635 0,11575 0,94118 0,05882 171697575,599
Fondo - 31 - 0,059 1,00000 - 361444332,954
527
En las siguientes gráficas se sintetizan las cantidades de fracción retenida (Gráfica 1) y fracción
que pasa (Gráfica 2) de la muestra de arena en cada tamiz.
Gráfico . Distribución por tamaño (Fracción retenida vs abertura del tamiz (mm))
Fuente: propia
Gráfico . Distribución por tamaño (Fracción que pasa vs abertura de tamiz (mm))
Fuente: Propia
4.2 Población y Caudal
Para periodos de diseño de 25 años, se debe tener en cuenta la cantidad de personas que
requieren del servicio y las demandas de caudales esperados en determinadas épocas del año u
horas del día. Según cifras del DANE, Vijes cuenta con una población de:
Tabla 2 . Censo poblacional del DANE.
Fuente: Material de clase.
Censo Población
1993 7834
2005 9.592
2018 10766
2046 15439,63
Por lo tanto la población para el año 2046, se pronostica por métodos estadísticos como:
● Método Aritmético
Pf: Población correspondiente al año al que se quiere proyectar.
Tf: Año al que se quiere proyectar.
Puc: Población correspondiente al último censo.
Pci: Población correspondiente al censo inicial.
Tuc: Año correspondiente al último censo.
Tci: Año correspondiente al censo inicial.
● Método Geométrico
r: Tasa de crecimiento anual
● Método Exponencial
k: Tasa de crecimiento
Pcp: Población correspondiente al
censo posterior.
Tcp: Año correspondiente al censo
posterior
Pca: Población correspondiente al censo anterior.
Tca: Año correspondiente al censo anterior
Realizando los procedimientos estadísticos se obtuvieron valores de 13295 hab por el método
aritmético, 13206 hab por el método geométrico, y 15440 hab por el método exponencial, este
último será el tenido en cuenta como población de estudio ya que por su alto valor permite
abarcar mayor número de habitantes y minimizar los posibles errores de cálculo
Vijes se encuentra a 987 msnm, el río del que se capta el agua para el tratamiento está
aproximadamente a una temperatura de 15 °C por lo tanto se trabajó una dotación máx de 140
l/hab*día, una dotación bruta de 175 l/hab*día, manejando un porcentaje de pérdidas del 20%.
Obteniendo valores de 31.2 l/s para caudal medio diario, 37.5 l/s para caudal máximo diario y
56.2 l/s para un caudal máximo horario.
4.3. Rejillas
El cribado es la operación que permite separar el material grueso o partículas sólidas con mayor
tamaño, del agua que se va a tratar, mediante el uso de rejillas, mallas o platos perforados, este
proceso es importante ya que es el primer filtro aplicado al flujo de agua. Para determinar los
parámetros de construcción, se tuvieron en cuenta las características de las rejillas según el
Artículo 186 de la Resolución 330 de 2017.
Tabla 3 . Características de la rejilla (cálculos de las dimensiones que debe la rejilla).
Fuente: Material de clase.
CARACTERÍSTICAS DE REJILLA
CARACTERÍSTICAS LIMPIEZA MANUAL LIMPIEZA MECÁNICA
Separación entre barras 2,5 1,5
Ancho de la Barra 1 1
Ángulo con la Vertical 45 30
Velocidad de Aproximación (m/L) 0,6 0,6
Pérdida Máxima de carga (cm) 0,69 0,96
k 0,37 0,52
Número de Barras 9 13
Gráfica . Ancho vs altura del canal
Fuente: Material de clase.
Tabla 4 . Limpieza manual de las rejillas
Fuente: Material de clase.
LIMPIEZA MANUAL
Anchura (m) Anchura (cm) Altura del Canal (m) Altura del canal (Cm)
0,10 10 0,6254 63
0,20 20 0,3127 31
0,30 30 0,2085 21
0,40 40 0,1564 16
0,50 50 0,1251 13
0,60 60 0,1042 10
0,70 70 0,0893 9
0,80 80 0,0782 8
0,90 90 0,0695 7
1,00 100 0,0625 6
Figura 3: Modelado para el diseño de rejillas
Fuente: Elaboración propia.
Figura 4 :Modelado para inclinación de rejillas.
Fuente: Elaboración propia.
4.4 Sedimentación
Sedimentación es la operación de separación (sólido-fluido), en la cual se separan las partículas
sólidas del fluido que es menos denso, en este caso el agua, esta separación ocurre por acción de
la gravedad. Es una operación controlada por la transferencia de cantidad de movimiento.
4.4.1 Velocidadde sedimentación
Figura 5 . Parámetros de caracterización para limpieza manual y mecánica
Fuente: Material de clase.
Tabla 5 . Parámetros de velocidad de sedimentación.
Fuente: Material de clase.
Parámetros Tipo de flujo
Temperatura
rio Cauca [ºC]
15
Viscosidad
dinámica
[µ(g/mm*s)]
0,00114
Gravedad
[mm/s^2]
9810
Laminar <1
Densidad de
partícula
[ρp(g/mm^3)]
0,00265
Viscosidad
cinemática
[v(mm^2/s)]
1,1410 Transición
1<Nr<50
0
Densidad del
fluido
[ρf(g/mm^3)]
0,000999099
Superficie de
partícula [Sp]
2,652 Turbulento >500
Teniendo en cuenta las ecuaciones de los regímenes laminar y de transición, según su número de
Reynolds, no presentamos régimen turbulento porque no entraba dentro de la clasificación.
Dpi [mm] VS [mm/s] NR 1 [] Tipo de flujo
0,000 0,000
Transición
0,3585 101,438 31,872
0,254 50,720 11,269
0,180 25,572 4,034
0,128 12,931 1,451
0,090 6,393 0,504
Laminar
0,064 3,183 0,177
Tabla 6 . Corrección de velocidades de sedimentación para el flujo de transición.
Fuente: Material de clase.
NR 7 CD-7
Vs7
[mm/s]
NR 8 CD-8
Vs8
[mm/s]
17,904 2,389 56,945 17,892 2,391 56,931
7,745 4,517 34,829 7,738 4,520 34,816
3,187 9,552 20,182 3,184 9,560 20,173
1,255 22,144 11,177 1,254 22,159 11,173
4.4.2 Sedimentación ideal
Al concluir el proceso de cribado, la sedimentación es la siguiente operación unitaria a
desarrollar. Por medio de la fuerza de gravedad se obtiene un sedimentado como objetivo final.
Para este diseño se toman los datos de tamizado obtenidos del laboratorio y se tienen en cuenta
algunas características del afluente (Tabla 9), el río Cauca, ver Figura 1.
Tabla 7 . Características del afluente.
Fuente: Material de clase.
Dpi [mm]
Fracción
Retenida Xi
VS [mm/s]
NR 1
[]
Vsi/Vsc Ri=Vsi/Vsc
Fracción de Partícula
Retenida
0,3585 0,0398 56,931 17,892 8,906 1,00 0,03984819734
0,2535 0,0968 34,816 7,738 5,446 1,00 0,09677419355
0,18 0,1347 20,173 3,184 3,156 1,00 0,1347248577
0,128 0,3245 11,173 1,254 1,748 1,00 0,3244781784
0,09 0,2296 6,393 0,504 1,000 1,00 0,229601518
0,0635 0,1157 3,183 0,177 0,498 0,498 0,05762592229
0,8830528673
Después de obtenidos estos resultados, se hace necesario escoger una de las partículas para
determinar la sedimentación ideal, normalmente se escoge la partícula cuyo diámetro sea ≤ 0,1
mm. Por esta razón la partícula seleccionada fue la de 0,09 mm, con este valor se obtuvo el valor
del área superficial.
Tabla 8 . Partícula seleccionada
Fuente: Material de clase.
Partícula seleccionada
Dpi 0,09 mm
Vs 6,393054151 mm/s
Caudal 0,03752686861 m^3/s
Área Superficial 5,870433616 m^2
Vsc 6,392520733 m/s
4.5 Desarenadores
Los desarenadores, se encargan de separar los elementos pesados en suspensión (arenas,
arcillas, limos), que lleva el agua y que perjudican el tratamiento de las mismas y se
interconectan con los sedimentadores, en el fondo presenta un espacio disponible para recibir
sedimentos en suspensión retenidos.
Figura 6 . Tabla criterios de diseño para desarenadores
Fuente: Material de clase.
Figura 7 . Ecuaciones para el diseño de desarenadores
Fuente: Material de clase.
Tabla 9. Cálculos para el diseño del desarenador
Fuente:Elaboración Propia.
DATOS
Vs 6,393 mm/s 0,006393 m/s
Dpi 0,090 mm 0,009 cm
Gravedad
específica
9810 mm/s^2
H 1500 mm 1,5 m
Q 0,0375 m^3/s
Hazen 3
Asumimos L 7,5 m
Se consideró para el caudal inicial diseñar 3 desarenadores debido a la elevada circulación de
agua en el sistema, permitiendo así mantener una relación razonable entre el las medidas de los
tanques y la eficiencia. Se considera el diseño de las siguientes operaciones unitarias con
respecto a las medidas del desarenador, manteniendo una prudencia en las medidas.
Tabla 10. Cálculos dimensiones diseño de desarenador.
Fuente:Elaboración Propia.
Dimensiones del tanque t = Tiempo en llegar al fondo
L(m) 7,5 234,6316283 seg
H(m) 1,5 0,06517545232 hora
B(m) 2,347997 T= Retención Hidráulica
V=Volumen 703,894885 seg
26,41497086 m^3 0,195526357 h
Ar=Área superficial B= base
17,60998058 m^2 2,34799741 m
Vh= Velocidad horizontal Vr
0,010655 m/s 15,24359918 cm
Vh max 7,621799592 cm
0,12786 m
12,786 cm
Figura 8 . Modelado de diseño para desarenadores vista lateral
Fuente: Elaboración propia.
Figura 9 . Modelado de diseño para desarenadores vista superior
Fuente: Elaboración propia.
4.6 Coagulación y floculación
El proceso de coagulación consiste en agregar sustancias químicas al agua (sales de aluminio o
hierro) distribuidas uniformemente para desestabilizar los coloides. Este proceso elimina las
fuerzas de repulsión que existen entre ellas, ocurre en el proceso de mezcla rápida.
Figura 10. Coagulantes inorgánicos
Fuente : Material de clase
4.6.1 Mezcla Rápida
En este proceso las condiciones de intensidad de agitación y el tiempo de retención de las aguas
dispuestas al tratamiento son priorizados, buscando dosificar el coagulante y características de
diseño del contenedor, procurando mejorar siempre la eficiencia de la operación unitaria.
Tabla 11. Datos para el diseño del contenedor para la Mezcla Rápida.
Fuente:Elaboración Propia.
VARIABLE O
CONSTANTE
VALOR UNIDADES VALOR UNIDADES
G 900 S-1 -
p 8130,528 J/s 8,131 kw
µ 0,00114 kg/m*s -
V 8,80 m3 -
K 6,3 - -
D = Diámetro 2,24 m -
ρ 2650 kg -
n 1,282 s-1 76,924 rpm
d =Diametro del
impulsor
0,746 m -
Nr 1,7E+06 - -
t retención 703,89 seg -
H 2,24 - -
h 0,746 - -
e 0,224 m -
Para el diseño del contenedor se obtuvieron los siguientes valores: altura del contenedor de 2,24
metros, con 2,24 metros de ancho, el tamaño de la turbina y aspas es de 0,74 metros a una
altura del fondo de 0,74 metros, el grosor de las pantallas es de 0,22 metros.
Figura 11: Modelado para diseño del contenedor de mezcla rápida
Fuente:Elaboración Propia.
Figura 12.Criterios de diseño para contenedor y motor.
Fuente: Material de clase.
4.6 Mezcla Lenta
En la mezcla lenta, el movimiento de las partículas es mucho más lento que en el caso de la
mezcla rápida, consiste en agitación suave del agua con los coagulantes, con el fin de favorecer la
formación de los flóculos (RAS-2000).
Los resultados obtenidos, posterior a la realización de los cálculos o las operaciones requeridas
para este floculador, dieron como resultado la implementación de dos floculadores. El tiempo de
retención hidráulica se calcula en 20 minutos, las medidas de diseño seleccionadas son una
longitud de 11,59 metros, la distancia de recorrido del agua es de 240 metros, el ancho del
tanque de 5 metros,la sección transversal de los canales se estima de 0,094 m2, con una
profundidad de 0,50 m,espaciado entre final de tabique y la pared de 0,28 m, con un ancho de
tabique de 0,04 m, con lo cual se generan 51 canales y 50 tabiques. (Tabla 17)
Tabla 12. criterios de diseño y datos de medidas para elaboración del desarenador.
Fuente. Elaboración propia
VARIABLE O CONSTANTE VALOR UNIDADES
Número de floculadores 2
Q(Caudal) 0,0187634343 m3/S
g(Gravedad) 9,81 m2/s
T(Temperatura del agua) 15 ºC
v(viscosidad cinemática) 0,000001141 m2/s
θ(Tiempo de retención hidráulica) 20 min
V(velocidad del agua) 0,2 m/s
N(Número de canales) 50,86309926
n(Coeficiente de fricción) 0,013
L(Longitud total del agua recorrida) 240 m
a(Factor de dimensiones) 1 m
Rh(Radio hidráulico) 0,08 m
hf(Pérdidas por fricción) 0,05 m
hl(Pérdidas en los giros) 0,31 m
hT(Pérdidas totales por energía) 0,35 m
G(Gradiente de velocidad) 50,33892809 S-1
Tabla 12. Dimensiones para elaboración del desarenador.
Fuente. Elaboración propia
Dimensiones del tanque de floculación
A(sección transversal) 0,094 m²
LT(Longitud del tanque) 11,56935149 m
B(Ancho del tanque) 5 m
a(Distancia entre tabiques) 0,19 m
h(Profundidad del agua) 0,50 m
e(espaciado entre final de
tabique y la pared)
0,28 m
b(Ancho del tabique) 0,04 m
l(Longitud efectiva del agua) 4,72 m
Figura 13. Modelado para diseño del floculador.
Fuente:Elaboración Propia.
Figura 14: Modelado denúmero de tabiques del tanque de floculación
Fuente: Elaboración propias
Conclusión
El diseño del sistema de acueducto en el municipio de Vijes, se realizará para abastecer
aproximadamente 15.440 habitantes con proyección para el año 2046, es necesario un caudal
máximo diario de 37.5 l/s. Para las demás operaciones en el diseño de la Planta de Tratamiento
de Agua Potable (PTAP) del municipio, en la retención de partículas sólidas se necesitará la
implementación de dos rejillas (mediana y pequeña), dos desarenadores para la remoción de
sedimentos debido a la elevada circulación del agua, un tanque de mezcla rápida para dispersar
los sedimentos rápida y uniformemente con la ayuda del coagulante y dos floculadores
hidráulicos para la mezcla lenta, logrando la formación de flóculos. La implementación de esta
PTAP podrá suministrar el fluido a toda la población del municipio, de manera continua todos los
días de la semana, las veinticuatro horas al día de buena calidad.
BIBLIOGRAFÍA
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Sede Palmira
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