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MEZCLA RÁPIDA Y LENTAUnidad 2. Agitación y mezcla de líquidos
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORFACULTAD DE INGENIERIA EN GEOLOGÍA, MINAS,
PETRÓLEOS Y AMBIENTAL
Ing. MSc. Ilia Mercedes Alomia
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Introducción • En la ciudad, la mayoría ingerimos agua del
sistema de agua potable. Sin embargo, ¿cómo pensamos que se ve el agua antes de ingresar al sistema?
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Las fuentes de agua superficial a menudo
presentan contaminantes.
Algunos son partículas grandes que se pueden
filtrar o sedimentar pero otros son coloides y
permanecen suspendidas en el agua
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Control de la cantidad partículas coloidales:
Estas usan reactivos químicos.
Sin embargo, el éxito de esta operación depende en gran
medida de la mezcla de las sustancias
dentro de los reactores.
• Coagulación• Floculación
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Objetivos 1. Describir las características del proceso de
la mezcla en la coagulación y floculación2. Diferenciar la mezcla rápida de la lenta, su
aplicación e importancia.3. Determinar la velocidad óptima de la
mezcla para la reducción de contaminantes y formación de flóculos (Análisis de caso).
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Preguntas esenciales• ¿Cómo se produce el proceso de coagulación-
floculación?• ¿Qué son mezcla lenta y rápida y para qué se
utilizan?• ¿Cuáles son las principales diferencias entre
las dos?• ¿Cómo puedo determinar la mejor velocidad
para remover un determinado contaminante o formar los flóculos más adecuados?
• ¿Cómo puedo interpretar los resultados de la prueba de jarras en relación a la velocidad?
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Conocimientos previosQuímica • Teoría coagulación del agua• Hidrodinámica
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¿Cómo se produce la coagulación y la floculación
del agua?Sustancias coagulantes• Sulfato férrico (Fe2(SO4)3
• Cloruro férrico (FeCl3)• Sulfato de aluminio
(Al2(SO4)3.14 H2O)• Sulfato ferroso (FeSO4)
• Dos tipos de coagulación adsorción y barrido
• Los coloides muestran estabilidad debido a las fuerzas de atracción y de repulsión intermoleculares.
• Si se adiciona productos químicos coagulantes, el efecto de estas fuerzas se reduce y las partículas pueden interactuar mediante la agitación física.
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1) Hidrólisis delos iones Al3+ y Fe3+ y la desestabilización de las partículas2) la interacción contaminante-coagulante 3) agrupación de partículas (o floculación)
Proceso
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Floculación Mezcla de la masa coagulada que permite el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados, con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesario para sedimentar con facilidad.
Algunos tipos de floculantesSílice activada, polímeros naturales, macromoléculas sintéticas.
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Variables importantesCoagulación Floculación
• Dosis de los coagulantes
• Alcalinidad y el pH del agua bruta
• Concentraciones de partículas
• Solubilidad de los compuestos formados
• Gradiente de velocidad
• Tiempo de retención• Forma de producir
la agitación• Densidad y tamaño
de floculación• Volumen de lodos
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DefiniciónGradiente de velocidad • Variación de la velocidad en función de la distancia. Este es un
factor proporcional a la velocidad de aglomeración de las partículas. Existe un límite máximo de gradiente que no puede ser sobrepasado, para evitar el rompimiento del floc. El gradiente a través de las cámaras debe ser decreciente y no se deben tener cámaras intermedias con gradientes elevados.
Tiempo de retención• Tiempo de estancia dentro de un reactor. La velocidad de
aglomeración de las partículas es proporcional al tiempo de detención. Debe estar lo más cerca posible al óptimo determinado por medio de ensayos de jarras, esto se puede lograr dividiendo la unidad de floculación en cámaras
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¿rápido o lento?
• La floculación es favorecida por el mezclado lento que permite juntar poco a poco los flóculos; un mezclado demasiado intenso los rompe y raramente se vuelven a formar en su tamaño y fuerzas óptimas
• Es importante que el producto químico coagulante se mezcle de forma rápida.
• Esto permite la dispersión del producto y promueve el choque de partículas, lo que hace que las partículas se agrupen para formar flóculos.
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¿Qué tan rápida es la mezcla rápida?
• Coagulación de barrido: 400 a 800 s -1 y tiempos de 30 a 180 segundos
• Coagulación por adsorción desestabilización: 1000 a 3000 s -1 y tiempos de 1 a 5 segundos.
• Polímeros 400 a 800 s -1 y tiempos de 30 a 60 segundos, no exceder los 1000 s -1
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Mezcladores rápidos• Mezcladores de flujo pistóna. Resalto hidráulicob. Canaleta Parshallc. Vertederosd. Mezcladores estáticos de insercióne. Difusores
• Retromezcladores
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¿Por qué se llama mezcla lenta?
El movimiento de las partículas es mucho más lento que en el caso de la mezcla rápida, los valores dependen del tipo de mezclador (floculador), la concentración de contaminantes, etc. Tiempo de detención óptimo 15- 35 minutos.Gradiente de velocidad óptimo 10 y 100 s-1.
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FloculadoresSegún el sentido de flujo
Descripción nombre
Flujo horizontal
Con tabique de ida y regreso
de tabique
Flujo vertical Con tabiques arriba y abajo del tanqueCon codos en el fondo que proyectan el agua hacia arriba
Alabama
Con entrada lateral al tanque
Cox
De potencia Mallaporoso
Hidráulicos
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Floculador de tabique
Floculador de Alabama
Floculador helicoidal
Floculador de medio poroso
Floculador de malla
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Floculadores Según el sentido de flujo
Descripción Nombre
Rotatorios De paletas de eje horizontal o vertical
De paletas
De turbinas horizontales o verticales
De turbinas
Reciprocantes Rejas o cintas oscilantes Reciprocantes
Mecánicos
Flujo horizontal
De turbina Pelton y paletas horizontales
Hidromecánicos
Hidromecánicos
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Floculador de paletas
Floculador de turbina
Floculador reciprocante
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Estudio en laboratorio: Prueba de jarras
Videohttps://www.youtube.com/watch?v=-lEssfS0lZA
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¿Es importante la mezcla rápida? ensayos de
segregación• Póngase en el primer vaso ¼ del volumen total
del agua de la muestra (250 cc si se usan vasos de 1000 cc) en el segundo un medio, en el tercero ¾ y en el 4 la cantidad total de la muestra que cabe en el vaso.
• Agréguese a intervalos pequeños (o simultáneamente) la dosis optima total en todos los vasos o jarras. Agitese el agua por 60 s para producir la mezcla rápida. Los vasos con poco líquido pueden levantarse para que las paletas del aparato lcancen a crear la debida turbulencia.
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¿Es importante la mezcla rápida? ensayos de
segregación• Complétese los volúmenes de las jarras 1, 2 y 3
agregando más muestra hasta llegar al volumen total del vaso.
• Flocúlese el agua a 30-40 rpm durante 15 -30 minutos. Obsérvese el tiempo de aparición del floc.
• Terminada la floculación retírese las paletas y déjese sedimentar el agua por 10-15 min. Extráigase el sobrenadante y determínese la turbiedad y color residuales
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¿Cómo determino la velocidad óptima de
mezcla rápida?1. Determinación de algunas propiedades fisicoquímicas
iniciales. 2. En cada vaso se coloca un litro de agua y se agita
previamente. 3. se alista la dosis de coagulante determinada para cada
vaso. 4. Se pone en funcionamiento el sistema agitador al
máximo. 5. Durante la agitación se adiciona las dosis de
coagulante a cada jarra a la misma profundidad.
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¿Cómo determino la velocidad óptima de mezcla
rápida?6. Al cabo de 2 minutos se disminuye la velocidad
de la primera jarra a velocidad de 30rpm durante 15 minutos, así se hace hasta la jarra seis con un minuto de diferencia. Transcurrido este tiempo se detiene la agitación y se deja sedimentar por 10 minutos.
7. Con cuidado se toma una muestra de cada vaso y se mide la turbiedad de cada muestra.
8. se determina las propiedades fisicoquímicas de la jarra que arroja mejores resultados de turbiedad y color aparente.
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¿Cómo determino la velocidad óptima de mezcla
lenta?• PROCEDIMIENTO. • 1. Determinación de algunas propiedades
fisicoquímicas iniciales. • 2. En cada vaso se coloca un litro de agua y se agita
previamente. • 3. Se alista la dosis de coagulante para cada vaso
determinado con otros ensayos. • 4. Se pone en funcionamiento el sistema agitador al
máximo. • 5. Durante la agitación se adiciona la dosis de
coagulante especificada a cada jarra a la misma profundidad.
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¿Cómo determino la velocidad óptima de mezcla
lenta?• 6. Al cabo de un minuto se disminuye la velocidad
a 30 rpm durante 10 minutos a la primera jarra, 15 a la segunda,20 y 25 a la tercera y cuarta respectivamente.
• 7. Transcurrido este tiempo se detiene la agitación y se deja sedimentar por 10 minutos.
• 8. Con cuidado se toma una muestra de cada vaso y se mide la turbiedad de cada muestra.
• 9. se determina las propiedades fisicoquímicas de la jarra que arroja mejores resultados de turbiedad y color aparente.
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Análisis de resultados de experimentos en
laboratorio• Observe las siguiente gráficas:• Grafica 1 y 2 ¿A qué gradiente de velocidad se
observa los menores valores de turbidez y demanda química de oxígeno?
• Gráficas 3-6 ¿Qué pasa con la formación de flóculos pasados los 1000 rpm?
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Escalamiento de datos- gráficos
gradiente• La tasa de crecimiento de los flóculos o la función
de agregación se define por Argaman y Kaufman (1971), citados por Richter y Azevedo Netto (2003), como: [7.6] donde:
• N = Concentración de partículas primarias (m-3); • G = Gradiente de velocidad (s-1); • y KA = Coeficiente de agregación.
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Eficiencia floculación• Para gradientes de velocidad bajos:siendo G el gradiente de velocidad del ensayo, No la turbiedad inicial y Nt la turbiedad del ensayo se puede calcular KA
CON ESTOS DATOS SE obtienen distintas eficiencias
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Despeje diseño mezcladores rápidos y floculadores
• Richter y Azevedo Netto, 2003):
• donde: γ = Peso específico; µ = Viscosidad del agua; h = Pierda de carga; T = Tiempo de floculación; V = Velocidad del agua; y J = Pierda de carga unitaria
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Experimentos
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experimentos
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Bibliografía de consulta
• Jorge Arboleda Valencia. Teoría y Práctica de la purificación del agua. Tercera Edición. 2000.
• Warren L. McCabe, Julian C. Smith y Peter Harriot Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, 7ma Edición McGraw-Hill 2007
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Conclusiones 1. La coagulación se produce cuando se añade
sustancias coagulantes al agua y esta se agita físicamente, esto produce que los químicos se dispersen y las particulas choquen y empiecen a formar flóculos
2. La mezcla rápida ayuda a la coagulación, la mezcla lenta ayuda a la floculación, el gradiente de velocidad y tiempo de ambas es diferente.
3. Se puede determinar el gradiente de velocidad óptimo a través de experimentos en el quipo de prueba de jarras
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