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

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?

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

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

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).

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?

Conocimientos previosQuímica • Teoría coagulación del agua• Hidrodinámica

¿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.

1) Hidrólisis delos iones Al3+ y Fe3+ y la desestabilización de las partículas2) la interacción contaminante-coagulante 3) agrupación de partículas (o floculación)

Proceso

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.

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

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

¿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.

¿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

Mezcladores rápidos• Mezcladores de flujo pistóna. Resalto hidráulicob. Canaleta Parshallc. Vertederosd. Mezcladores estáticos de insercióne. Difusores

• Retromezcladores

¿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.

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

Floculador de tabique

Floculador de Alabama

Floculador helicoidal

Floculador de medio poroso

Floculador de malla

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

Floculador de paletas

Floculador de turbina

Floculador reciprocante

Estudio en laboratorio: Prueba de jarras

Videohttps://www.youtube.com/watch?v=-lEssfS0lZA

¿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.

¿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

¿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.

¿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.

¿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.

¿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.

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?

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.

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

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

Experimentos

experimentos

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

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