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RESULTADOS
5. RESULTADOS
5.1 Proceso de secado de lodo
De acuerdo a la metodología descrita en la sección 4.12, se determinó la curva
de secado correspondiente. Es importante señalar que dicho proceso se llevo a cabo
en el laboratorio de Ingeniería Ambiental, ubicado en el edificio 9 de la UDLAP. Así
mismo, se realizó un monitoreo continuo de las condiciones tanto de temperatura
ambiente como de humedad relativa, las cuales se muestran en la tabla 5.1.
Tabla 5.1 Condiciones ambientales de temperatura y HR existentes en el laboratorio de Ing.
Ambiental, UDLAP
DÍA DE SECADO
FECHA
HORA
0
2
3
4
5
6
8
29-Oct
31-Oct
01-Nov
02-Nov
03-Nov
04-Nov
06-Nov
09:00 a.m. 09:30 a.m. 09:35 a.m. 10:25 a.m. 12:00 a.m. 11:00 a.m. 08:30 a.m.
T (°C)
19
20
20
21
22
21
18
% HUMEDAD
38
40
44
38
53
58
64
HORA
06:45 p.m. 06:30 p.m. 08:00 p.m. 07:30 p.m. 07:00 p.m. 08:00 p.m.
8.40 pm
T (°C)
25
23
23
22
22
22
22
% HUMEDAD
60
57
57
46
55
52
64
DÍA DE SECADO
FECHA
HORA
T (°C)
% HUMEDAD
HORA
9
10
12
13
15
16
17
07-Nov
08-Nov
10-Nov
11-Nov
13-Nov
14-Nov
15-Nov
09:50 a.m. 09:00 a.m. 09:30 a.m. 12:00 a.m. 11:35 a.m. 09:40 a.m. 12:00 a.m.
20
18
21
22
22
23
21
67
65
66
58
60
58
59
09:00 p.m. 06:35 p.m. 10:10 p.m. 07:15 p.m. 08:00 p.m. 06:25 p.m.
T (°C)
21
23
22
% HUMEDAD
62
63
64
22
23
23
63
62
61
DÍA DE SECADO
FECHA
18
19
22
25
26
27
28
29
16-Nov
17-Nov
20-Nov
22-Nov
23-Nov
25-Nov
26-Nov
11:30am
11:45 a.m.
11am
09:00 a.m.
11:00am
27-Nov
10:00
a.m.
T (°C)
22
24
16
20
19
21
17.5
23
% HUMEDAD
61
60
54
38
32
50
48
57
HORA
HORA
09:37 a.m. 12:00 a.m.
6:20pm
6:10pm
6pm
T (°C)
09:00 p.m. 06:10 p.m.
20
22
19
21
22
% HUMEDAD
54
58
30
50
53
91
RESULTADOS
HR y Temperatura respecto a días de secado
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Tiempo (días)
HR
Temperatura (°C)
Figura 5.1 Condiciones ambientales del proceso de secado
Siguiendo la metodología descrita en la sección 4.11, se determino el
porcentaje de humedad del lodo durante 29 días de secado. Los resultados de los
valores experimentales se muestran en la Tabla 5.2
Tabla 5.2 Resultados de determinación de % Humedad de acuerdo a la NMX-AA-016-1984
DÍA DE SECADO
0
2
3
4
5
6
PESO CRISOL, g
29.306
38.194
20.131
29.303
19.26
28.502
PESO CRISOL + LODO HÚMEDO, g
36.975
44.033
26.233
35.515
25.168
35.893
PESO CRISOL + LODO SECO, g
31.917
40.287
22.383
31.672
21.584
31.499
W1 (sólido húmedo), g
7.669
5.839
6.102
6.212
5.908
7.391
W2 (sólido seco), g
2.611
2.093
2.252
2.369
2.324
2.997
% Humedad, base húmeda
65.954
64.155
63.094
61.864
60.663
59.451
8
9
10
12
13
15
FECHA
39027
39028
39029
39031
39032
39034
PESO CRISOL, g
38.198
29.306
28.495
29.303
28.497
38.202
PESO CRISOL + LODO HÚMEDO, g
43.948
35.289
34.168
34.519
35.283
43.294
PESO CRISOL + LODO SECO, g
40.671
31.953
31.075
31.803
31.833
40.829
5.75
5.983
5.673
5.216
6.786
5.092
W1 (sólido húmedo), g
92
RESULTADOS
W2 (sólido seco), g
2.473
2.647
2.58
2.5
3.336
2.627
% Humedad, base húmeda
56.991
55.758
54.521
52.071
50.840
48.409
16
17
18
19
22
25
PESO CRISOL, g
29.301
28.498
29.302
20.131
28.5
29.306
PESO CRISOL + LODO HÚMEDO, g
34.216
33.518
34.471
24.936
33.778
35.227
PESO CRISOL + LODO SECO, g
31.897
31.211
32.159
22.845
31.672
33.012
W1 (sólido húmedo), g
4.915
5.02
5.169
4.805
5.278
5.921
W2 (sólido seco), g
2.596
2.713
2.857
2.714
3.172
3.706
% Humedad, base húmeda
47.182
45.956
44.728
43.517
39.901
37.409
26
27
28
29
PESO CRISOL, g
29.303
28.497
28.499
29.268
PESO CRISOL + LODO HÚMEDO, g
34.634
34.937
34.925
34.276
PESO CRISOL + LODO SECO, g
32.673
32.607
32.637
32.519
W1 (sólido húmedo), g
5.331
6.44
6.426
5.008
W2 (sólido seco), g
% Humedad, base húmeda
3.37
4.11
4.138
3.251
36.784
36.180
35.605
35.084
Posteriormente, se llevó a cabo el procedimiento descrito en la sección 4.12
para la determinación de la curva de secado. Para este fin, primero se calculó el
contenido de humedad a los diferentes días de secado Xt, en kg totales H2O/kg sólido
seco. A continuación se llevo a cabo la determinación del contenido de humedad de
equilibrio X*, para lo cual se hizo uso de la carta psicrométrica mostrada en el
Apéndice 1 así como de las condiciones mostradas en la tabla 5.1. Finalmente se
obtuvo el contenido de humedad libre X, para los 29 días de secado. Los resultados se
muestran a continuación.
93
RESULTADOS
Tabla 5.3 Contenidos de Humedad, Humedad de equilibro y humedad libre
DÍA DE SECADO
0
2
3
4
5
6
FECHA
29-Oct
31-Oct
01-Nov
02-Nov
03-Nov
04-Nov
Humedad (base seca), Xt (kg totales H2O/kg sólido seco)
1.937
1.790
1.710
1.622
1.542
1.466
Humedad de equilibrio, X*
0.019
0.017
0.012
0.009
0.0145
0.0141
0.012
0.011
0.007
0.006
0.009
0.009
1.925
1.779
1.702
1.617
1.533
1.457
8
9
10
12
13
15
06-Nov
07-Nov
08-Nov
10-Nov
11-Nov
13-Nov
( lbmol agua/lb mol aire seco)
Humedad de equilibrio, X*
(kg mol agua/kg mol aire seco)
Humedad libre, X = Xt - X*
FECHA
Humedad (base seca), Xt (kg totales H2O/kg sólido seco)
1.325
1.260
1.199
1.086
1.034
0.938
Humedad de equilibrio, X*
0.0175
0.0147
0.0185
0.016
0.015
0.0187
0.011
0.009
0.011
0.010
0.009
0.012
1.314
1.251
1.187
1.076
1.025
0.927
16
17
18
19
22
25
14-Nov
15-Nov
16-Nov
17-Nov
20-Nov
22-Nov
( lbmol agua/lb mol aire seco)
Humedad de equilibrio, X*
(kg mol agua/kg mol aire seco)
Humedad libre, X = Xt - X*
FECHA
Humedad (base seca), Xt (kg totales H2O/kg sólido seco)
0.893
0.850
0.809
0.770
0.664
0.598
Humedad de equilibrio, X*
0.0185
0.0148
0.0143
0.0148
0.01
0.0095
0.011
0.009
0.009
0.009
0.006
0.006
0.882
0.841
0.800
0.761
0.658
0.592
26
27
28
29
23-Nov
25-Nov
26-Nov
27-Nov
Humedad (base seca), Xt (kg totales H2O/kg sólido seco)
0.582
0.567
0.553
0.540
Humedad de equilibrio, X*
0.0071
0.013
0.0095
0.0146
0.004
0.008
0.006
0.009
0.577
0.559
0.547
0.531
( lbmol agua/lb mol aire seco)
Humedad de equilibrio, X*
(kg mol agua/kg mol aire seco)
Humedad libre, X = Xt - X*
FECHA
( lbmol agua/lb mol aire seco)
Humedad de equilibrio, X*
(kg mol agua/kg mol aire seco)
Humedad libre, X = Xt - X*
94
RESULTADOS
Figura 5.2 Lodo obtenido después del proceso de secado
5.1.1 Curva de secado
Con los resultados de contenido de humedad libre y los días de secado, se
realizo la grafica con éstos dos parámetros, obteniéndose lo siguiente:
Humedad libre (kg H 2O/kg sólido seco)
HUMEDAD LIBRE vs TIEMPO
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Tiempo (días)
Figura 5.3 Humedad libre en función del tiempo de secado
95
RESULTADOS
Como se mencionó en la sección de Materiales y Métodos, se calcularon las
velocidades de secado en tres intervalos de tiempo: de 2 a días, de 15 a 19 días y de
25 a 29 días. Posteriormente, se realizó una regresión de la curva obtenida y de esta
manera se logró determinar la pendiente. Las Tablas 5.4, 5.5 y 5.6 muestran lo
anteriormente mencionado.
Humedad libre (kg H 2O/kg sólido seco)
Humedad libre vs Tiempo
Intervalo 1
2.000
1.800
1.600
1.400
1.200
1.000
0.800
0.600
y = -0.0782x + 1.932
0.400
R2 = 0.9986
0.200
0.000
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo (2 a 8 días)
Figura 5.4 Curva de Humedad libre vs Tiempo para el Intervalo de 2 a 8 días
Se observa en la Figura 5.4 que la pendiente obtenida para este intervalo de
tiempo es -0.0782 para un factor de correlación (R2) de 0.9986 por lo que se puede
considerar aceptable y siguiendo la Ec. 4.4 se obtiene una velocidad de secado de
1.91693499 kg H2O/día m2.
Tabla 5.4 Velocidad de secado para el Intervalo 1
dX/dt, kg H2O/kg
sólido seco*día
-0.0782
Ls, kg sólido seco
8.580
2
A, m
0.35
2
R1, kg agua/día m
1.917
96
RESULTADOS
Se prosiguió de la misma manera para el intervalo 2; la Figura 5.5 muestra la
curva obtenida, así como la regresión con un factor de correlación de 0.9994 por lo
que se considera aceptable el valor de la pendiente de -0.0412.
Humedad libre vs Tiempo
Intervalo 2
Humedad libre (kg H2O/kg sólido seco)
1.000
0.900
0.800
0.700
0.600
0.500
0.400
0.300
y = -0.0412x + 1.5433
0.200
2
R = 0.9994
0.100
0.000
15
15.5
16
16.5
17
17.5
18
18.5
19
19.5
Tiempo (15 a 19 días)
Figura 5.5 Curva de Humedad libre vs Tiempo para Intervalo de 15 a 19 días
Con la pendiente obtenida se calculó la velocidad de secado correspondiente al
intervalo 2, la cual se muestra en la Tabla 5.5.
Tabla 5.5 Velocidad de secado para Intervalo 2
dX/dt, kg H2O/kg
sólido seco*día dX/dt
-0.0412
Ls, kg sólido seco
8.579
A, m2
0.35
2
R2, kg agua/día m
1.010
Finalmente se procedió a determinar la curva para el intervalo 3, la cual se
muestra en la Figura 5.5. La pendiente obtenida fue de -0.0151 con un factor de
correlación de 0.9965.
97
RESULTADOS
Humedad libre vs Tiempo
Intervalo 3
Humedad libre (kg H2O/kg sólido seco)
0.600
0.590
0.580
0.570
0.560
0.550
0.540
y = -0.0151x + 0.9697
2
R = 0.9965
0.530
0.520
25
26
27
28
29
Tiempo (25 a 29 días)
Figura 5.6 Curva de Humedad libre vs Tiempo para Intervalo de 25 a 29 días
Se calculó la velocidad de secado correspondiente al intervalo 3 obteniéndose
un valor de 0.37014985 kg H2O/ día m2.
Tabla 5.6 Velocidad de secado para Intervalo 3
dX/dt, kg H2O/kg
sólido seco*día dX/dt
-0.0151
Ls, kg sólido seco
8.579
2
A, m
0.35
2
R3, kg agua/día m
0.370
La Figura 5.7 muestra las velocidades de secado de los tres intervalos
analizados. Cabe mencionar que se consideraron los valores extremos y el valor del
medio (de tiempo y humedad) de cado intervalo.
98
RESULTADOS
Velocidad de secado vs Humedad Libre
Ve loc ida d de s e c a do (k g H 2O/día m 2)
2.5
2
1.5
R1
R2
R3
1
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
Humedad libre (kg H2O/kg sólido seco)
Figura 5.7 Velocidad de secado vs Humedad libre para los tres intervalos analizados
Velocidad de secado (kg H 2O/día m 2)
Velocidad de secado vs Tiempo
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
R1
1.0
0.8
R3
R2
0.6
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
Tiempo (días)
Figura 5.8 Velocidad de secado vs Tiempo para los tres intervalos analizados
99
RESULTADOS
Como puede observarse en la Figura 5.7, la pérdida de la humedad contenida
en el lodo varía conforme avance el proceso de secado. Al principio de dicho proceso,
la disminución de la humedad se lleva a cabo con mayor rapidez y la cantidad de agua
evaporada en mayor (línea azul perteneciente a R1) debido a que es la capa de agua
sin combinar la que esta sufriendo el proceso de evaporación. Conforme transcurren
los días de secado, la disminución del contenido de humedad va siendo más lento
(línea marcada como R2) para finalmente llegar a la etapa final de secado en donde el
calor para la vaporización se transfiere a través del lodo y al agua vaporizada lo
atraviesa para llegar a la corriente de aire, por lo que la cantidad de humedad
eliminada es muy pequeña y requiere mayor tiempo.
5.1.2 Tiempo de secado a partir de curva de secado
Se realizó el cálculo del tiempo de secado a partir de la curva se secado
obtenida experimentalmente de acuerdo a la metodología descrita en la sección 4.14.
En base a la curva de secado obtenida, se determinó el periodo de velocidad
constante y el periodo de velocidad decreciente. Para el periodo constante se
determinó que este concluía en el día 17, después del cual inicia el periodo de
velocidad decreciente. Por lo tanto se determinó, en base a la Figura 5.8, que el
contenido de humedad crítica era de 1.1 kg H2O/ kg sólido seco.
5.1.2.a Periodo de velocidad constante
Para el cálculo del tiempo de secado en el periodo de velocidad constante se
consideró que se deseaba un decremento del contenido de humedad de 1.75 a 1.6 kg
H2O/ kg sólido seco. Usando la Ec.4.5 se determinó el tiempo de secado necesario
para lograr dicha disminución de humedad. La siguiente tabla muestra dichos cálculos.
100
RESULTADOS
Tabla 5.7 Tiempo de secado para periodo de velocidad constante
Contenido de
Humedad Libre
X1, kg H2O libre/kg sólido seco
1.75
X2, kg H2O libre/kg sólido seco
1.6
Ls, kg sólido seco
8.580
2
A, m
0.35
Rc, kg H2O/kg sólido seco
1.1
t, días =
3.3
5.1.2.b Periodo de velocidad decreciente
Siguiendo la metodología descrita en la sección 4.14.2 , se realizó el cálculo del
tiempo de secado para el periodo de velocidad decreciente. En este caso, se
consideró que se deseaba una reducción de humedad de 0.8 a 0.75 kg H2O/kg sólido
seco y, utilizando la Figura 5.9, se realizó el cálculo del área bajo la curva del intervalo
de humedad antes mencionado.
1/R vs X
1.20
1.18
1.15
2
1/R, (1/kg H 2O/m día)
1.13
1.10
1.08
1.05
1.03
1.00
0.98
0.95
0.93
0.90
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
X, kg H2O libre/kg sólido seco
Figura 5.9 1/R vs X, para la determinación del área bajo la curva
101
RESULTADOS
Los resultados obtenidos arrojan un área bajo la curva de 0.06273 y un tiempo
de secado de 1.5 días para disminución de humedad de 0.8 a 0.75 kg H2O/kg sólido
seco.
Tabla 5.8 Tiempo de secado para el periodo de velocidad decreciente
Contenido de humedad libre
X1
X2
Área bajo la curva
A1
A2
A3
A4
Σ=
Ls/A =
Tiempo, días
0.8
0.75
0.017
0.016
0.016
0.014
0.063
24.513
1.5
5.2 Filtro Prensa
La filtración del efluente producto del tratamiento de agua residual de la Maltera
de la empresa Cuauhtémoc Moctezuma, ubicada en el municipio de Rafael Lara
Grajales, fue realizado en las instalaciones de ésta empresa.
Las características del filtro prensa utilizado en el presente trabajo se muestran
en la Tabla 4.1.
Figura 5.10 Filtro Prensa utilizado
102
RESULTADOS
Figura 5.11 Acercamiento al medio filtrante después de concluir el proceso de filtración
Figura 5.12 Acercamiento al medio filtrante después del proceso de filtración
5.2.1 Diseño de Filtro Prensa
Para el diseño del filtro prensa se especificaron datos de entrada, algunos de
los cuales fueron obtenidos de la Maltera de la empresa Cuauhtémoc Moctezuma.
Cabe mencionar que el procedimiento de cálculo junto con las ecuaciones
utilizadas para el diseño del filtro prensa se encuentran en el documento de Microsoft
Excel adjunto a este trabajo.
103
RESULTADOS
Tabla 5.9 Datos de entrada para diseño de filtro prensa
DATOS DE ENTRADA
PARÁMETRO
VALOR
Qprom PTAR = Flujo promedio de agua residual PTAR, mgd
Densidad agua alimentada, kg/L
Densidad lodo seco, kg/L
Flujo de sólidos suspendidos al filtro prensa, %
Metcalf & Eddy especifica un rango de 2-5%, con
un valor típico de 4
Horario de operación para el filtro, horas por día
Gravedad específica del lodo
Metcalf & Eddy especifica un valor 1.05
0.3
1.05
1.2
4
8
1.05
% Qprom PTAR alimentado al FP
8
Con los datos mostrados en la Tabla 5.9 se inicia el proceso de cálculo.
Primeramente se determino el flujo de entrada al filtro prensa teniendo en cuenta el
flujo que opera la planta de tratamiento de agua residual (PTAR) así como el
porcentaje de dicho flujo que es desviado para llevar a cabo la filtración de los lodos
en el filtro prensa. Cabe mencionar que el cálculo realizado es en base a 24 horas por
lo que posteriormente se obtendrá el valor para el horario de operación real del filtro
prensa (8 horas).
Tabla 5.10 Flujo del Filtro prensa a 24 horas
Flujo de entrada del Filtro Prensa
Valor
% Qprom PTAR alimentado al FP
8
Flujo Filtro Prensa @ 24h, L/min =
31.542
Así mismo, se determino el flujo de lodo filtrado durante el proceso de filtración,
considerando que el influente del filtro prensa tiene un 4% de contenido de sólidos
suspendidos. También se considero el horario de operación del equipo, por lo que el
cálculo obtenido es en base a 8 horas laborables del filtro prensa.
104
RESULTADOS
Tabla 5.11 Flujo de lodo filtrado a 8 horas de operación
Flujo de lodo filtrado
Valor
Flujo volumétrico de lodo, L/min
94.625
Flujo de lodo al 4%, kg/min
3.974
Flujo de lodo filtrado @ 8hras, L/min
3.312
Considerando que el filtro prensa tiene un volumen de cámara de 0.5 ft3 y un
total de 25 marcos se obtiene un volumen total del filtro prensa de 12.5 ft3. Cabe
mencionar que con el programa de cálculo desarrollado en el presente trabajo el
usuario podrá especificar diferentes condiciones de operación de acuerdo al caso en
particular en que se este trabajando.
Posteriormente, se determina el tiempo de ciclo en base al volumen del filtro
prensa (12.5 ft3) y flujo de lodo filtrado (3.311875 L/min), dicho tiempo resulta ser el
siguiente:
Tabla 5.12 Tiempo de ciclo considerando 25 marcos
Tiempo de ciclo (con 25 marcos)
Valor
Tiempo ciclo, min
106.876
Tiempo ciclo, horas
1.781
Como puede observarse en la Tabla 5.12, el tiempo de ciclo son 1.781 horas
operando el filtro prensa con 25 marcos. Sin embargo, se busca un tiempo de ciclo lo
más próximo a 2 horas, tomando en cuenta esto se realiza un rápido análisis de
sensibilidad para determinar con qué número de marcos se obtendría un tiempo de
ciclo de 2 horas. La Tabla 5.13 muestra el resultado obtenido.
105
RESULTADOS
Tabla 5.13 Volumen de filtro prensa y tiempo de ciclo con 28 marcos
Volumen del Filtro Prensa
Valor
3
Volumen de Cámara, ft
0.5
Número de Placas
28
3
Vol. Filtro prensa, ft =
14
Vol. Filtro prensa, L =
396.436
Tiempo de ciclo (con 28 marcos)
Valor
Tiempo ciclo, min
119.701
Tiempo ciclo, horas
1.995
Con los resultados mostrados en la Tabla 5.13 se continúo con los cálculos
correspondientes. Seguido a esto, se determinó el número de ciclos por día,
considerando el horario laboral de 8 horas al día.
Tabla 5.14 Número de ciclos de filtrado por día
Número de ciclos de filtrado por día
Valor
Horario de operación para el filtro, hras por día
Tiempo de ciclo de filtrado, horas por ciclo
8
2
Núm. ciclos por día =
4
Una vez determinado el número de ciclos por día, se puede calcular la cantidad
de lodos que se obtendrán por cada ciclo de operación, y por lo tanto, la cantidad de
lodos por día. A continuación se muestran los resultados obtenidos:
106
RESULTADOS
Tabla 5.15 Masa de lodos obtenido del proceso de filtración
Masa de lodo obtenido por ciclo y por día
Valor
Masa de lodo por ciclo, kg/ciclo =
Masa de lodo por día, kg/día =
475.723
1902.892
Es de gran importancia determinar la caída de presión ocasionada por el filtro
prensa ya que ésta debe ser considerada en el cálculo de la potencia de la bomba que
alimentará al filtro debido a que representa una resistencia al flujo bombeado.
El procedimiento de cálculo para la caída de presión a través de la torta se
llevo a cabo mediante la Ec. 3.31. La Tabla 5.16 muestra el cálculo de la caída de
presión considerando 28 marcos, así como un espesor de torta de 1.25 pulgadas.
Cabe mencionar que para determinar la caída de presión es necesario especificar los
siguientes datos: viscosidad del filtrado, el cual se aproximó a la viscosidad del agua a
21.1°C; la velocidad lineal del filtrado, se determino en base al flujo volumétrico de la
bomba y el área total de filtrado (considerando una tamaño de marco de 31.5 pulgadas
x31.5 pulgadas); la superficie de partícula, la cual se obtuvo de la bibliografía así como
el volumen de partícula; la porosidad de la torta también fue obtenida de datos
bibliográficos. Lo anterior se resume en la tabla siguiente.
Tabla 5.16 Caída de presión a través de la torta
Caída de presión a través de la torta
2
2
dp 4.17μ (u )(1 − ε ) ( s p / υ p )
=
dL
ε3
μ = Viscosidad de filtrado, lb/ft
u = Velocidad lineal de filtrado, basado en área de filtrado, ft/s
Flujo volumétrico de la bomba, ft3/s
Área Total, (Núm marcosxÁrea marco), ft2
sp = Superficie de partícula, ft2
vp = Volumen de partícula, ft
ε = Porosidad de torta
3
Δp/ΔL, lbf/ft =
Valor
6.60E-04
2.0048E-06
0.056
27783
3.34E-08
4.59E-12
0.5
0.584
107
RESULTADOS
5.3 Diseño de bomba de alimentación
Se determinó la potencia de la bomba requerida para la alimentación del filtro
prensa, el procedimiento se muestra con claridad en el archivo de Microsoft Excel
adjunto al presente trabajo. A continuación se mostrarán los resultados obtenidos en
dicho procedimiento de cálculo.
Cabe mencionar que se supusieron ciertos datos como son la altura de succión
y descarga, las cuales corresponden a una situación típica; así como los accesorios
empleados, con el objetivo de poder calcular las pérdidas de fricción tanto para la
sección anterior y posterior a la bomba de alimentación.
Filtro
Prensa
Corriente de
alimentación
Bomba
Figura 5.13 Esquema representativo del sistema de alimentación del filtro prensa
Para las tuberías se consideró hierro fundido (recomendado por Metcal & Eddy,
2004), cuya rugosidad tiene un valor de 0.00085 ft. La tabla 5.17 muestra las
especificaciones utilizadas para el cálculo de la caída de presión en la succión.
108
RESULTADOS
Tabla 5.17 Caída de presión en la succión
CAÍDA DE PRESIÓN EN LA SUCCIÓN
Parámetro
Valor
Densidad (lb/ft3):
Viscocidad (cP):
Gravedad específica
Presión de vapor (psia):
Diámetro interno (in):
Flujo (gpm):
62.315
0.982
1.02
0.339
7.981
25
Altura(-) o columna(+) de succión (ft):
11.483
Rugosidad absoluta:
0.00085
Longitud (ft):
32.808
Velocidad =
No. Reynolds =
0.160
10048.443
f=
0.0327
Tubería:
K total
1.613
Pérdidas por fricción (ft) =
0.00064
Pérdidas por fricción (psi) =
Cabeza de succión (ft) =
0.00028
78.046
Se siguió el mismo procedimiento para el cálculo de la caída de presión en la
descarga, obteniéndose lo siguiente:
Tabla 5.18 Caída de presión en la descarga de la bomba
CAÍDA DE PRESIÓN EN LA DESCARGA
Parámetro
Valor
3
Densidad (lb/ft ):
Viscocidad (cP):
Gravedad específica
Presión de atmosférica (psia):
Diámetro interno (in):
Flujo (gpm):
62.316
0.982
1.02
14.696
7.981
25
Altura de descarga (ft):
Rugosidad absoluta:
16.404
0.00085
Longitud (ft):
49.213
Velocidad =
0.160
109
RESULTADOS
Reynolds =
f=
10048.443
0.033
Accesorio
Cantidad
Codo 45º
2
Codos 90º
1
Válvula de compuerta
1
0.981
Válvula de globo
2
0.262
K total =
22.236
Coeficiente de resistencia, K
1.046
Tubería
2.419
hL, Pérdidas por fricción (ft) =
0.011
Pérdidas por fricción (psi) =
0.0047
Cabeza de descarga (ft) =
132.902
26.945
Con los datos obtenidos, cuyos valores se muestran en las tablas 5.17 y 517,
se procedió a calcular presión de descarga, la cabeza diferencial, el NPSH, para
finalmente obtener la potencia de la bomba. Cabe mencionar que se supuso una
eficiencia de la bomba del 65%.
Tabla 5.19 Potencia de bomba
Presión de descarga (psig) =
Cabeza diferencial total (ft) =
Columna estática total (ft) =
NPSH disponible (ft) =
Caída de presión del filtro prensa =
58.684
54.856
4.921
139.032
0.584
Eficiencia de la bomba (%) =
65
Potencia (Hp) =
1.128
Como se observa en la Tabla 5.19, se obtiene una potencia de 1.127 Hp para
un flujo de 25 gpm. Con estos datos y observando la hoja de selección de bombas de
cavidad progresiva mostrada en el Apéndice 3, se elige la bomba de 200 RPM con un
flujo de 1584 gpm con una potencia de 1.57 Hp para bombear el flujo de 25 gpm con
una potencia de 1.127 Hp, obtenidos con el programa de cálculo desarrollado en el
presente trabajo.
110
RESULTADOS
5.4 Diseño de Lecho de secado
El diseño del lecho de secado se realizo tomando las recomendaciones
encontradas en la bibliografía (U.S Environmental Engineering Division, 1982). Por lo
tanto, se especificaron las siguientes dimensiones para el lecho de secado:
Tabla 5.20 Geometría del lecho de secado
Geometría de la cama de secado
Valor
Longitud, ft
100
Ancho, ft
Alto, ft
10
5
Área del lecho, ft
2
1000
Profundidad de lodo aplicado, in
8
Una vez conocidas las dimensiones del lecho de secado, se determino el
tiempo de llenado de dicho lecho con el objetivo de conocer el número de días durante
los cuales el lecho tardaría en saturarse de lodo. Para realizar este cálculo es
necesario conocer el flujo de lodo (el cual se determino en la sección 5.1) así como la
densidad del lodo.
Tabla 5.21 Tiempo de llenado del lecho de secado
Tiempo de llenado del lecho de secado
Valor
Flujo de lodo, gpd
420
Masa de lodo, kg/día
1907.640
Densidad del lodo, kg/L
Profundidad de lodo aplicado, ft
3
1.2
0.667
Volumen del lecho, ft
666.667
Volumen de lecho, gal
4987.013
Tiempo de llenado, días =
11.8
Como se mencionó en la sección 4.2, el lecho de secado experimental se
dispuso en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental por lo que el proceso de secado se
realizo bajo techo. Para el diseño del lecho de secado descrito en la sección 4.17, se
111
RESULTADOS
considera que este estará sin protección ante las condiciones ambientales por lo que
para el cálculo del tiempo de secado bajo estas condiciones debe considerar la tasa
de evaporación así como el promedio de lluvia (se tomo el aproximado mensual del
año 2006).
Tabla 5.22 Tiempo de secado
Tiempo de secado requerido
T=
30 * H * S o
aE − bR
⎛1
1 ⎞
⎜⎜ − ⎟⎟ + t d
⎝ S1 S 2 ⎠
Valor
H = profundidad a la cual se aplica el lodo, in
8
So = Sólidos iniciales, %
34.046
a = corrección de la tasa de evaporación para lodo
E = Tasa de evaporación, in/mes
0.75
4.635
b = fracción de agua absorbida por el lodo
R = lluvia durante el mes húmedo, in/mes
0.57
1.3122
S1 = sólidos después de td días, %
40
S2 = contenido final de sólidos, %
64.916
td = tiempo en el cual el drenado es
significante, días
Tiempo de secado, días =
3
31.7
El valor obtenido en la Tabla 5.33 se debe sumar al tiempo calculado en la
Tabla 5.21, con el fin de obtener el tiempo total(llenado+secado), dando un valor de
43.6 días.
Así mismo, se determinó el área superficial requerida tomando en cuenta el
tiempo de secado calculado anteriormente así como el flujo de lodos hacia el lecho de
secado y la profundidad de lodo aplicado. La Tabla 5.23 muestra lo anterior:
112
RESULTADOS
Tabla 5.23 Área superficial requerida
Área superficial requerida
Área´sup erficial =
Q s (T )(12)
H (7.48)
Valor
Área superficial requerida =
2672.567
Con lo anterior se determinó el número de lechos de secado (camas)
necesarios en función al área superficial calculada, obteniéndose un valor de 4 camas
(se considera que deben ser, como mínimo, 3).
Posteriormente, se determinó el volumen de aire que se requeriría para poder
evaporar el contenido de humedad del lodo depositado en el lecho de secado. Los
resultados se muestran a continuación:
Tabla 5.24 Volumen de aire requerido para evaporar el contenido de humedad del lodo
Volumen de aire requerido para evaporar el contenido de
humedad
Valor
Densidad del aire, kg/L
1.30E-03
HR aire promedio
Temperatura aire promedio, °F
Humedad, lb mol agua/lb mol aire seco
52.282
57.821
0.0085
Humedad saturación, lb mol agua/lb mol aire seco
0.0175
Lb agua que pueden ser absorbidas por el aire, lb
0.009
Contenido inicial humedad, %
65.954
Contenido final de humedad, %
35.084
Diferencia de humedad, kg H2O/100 kg lodo
30.870
Agua evaporada experimentalmente, kg agua/kg lodo
0.016
Lb de aire
1.798
Volumen de aire, L =
627.371
Volumen del aire, ft3 =
22.155
Como puede observarse en la tabla anterior, se requerirían un volumen mínimo
de 627.37 litros de aire (considerando que éste se llevaría a saturación) para llevar a
113
RESULTADOS
cabo la evaporación completa de 30.86% de contenido de humedad en el lodo. Así
mismo, considerando que la velocidad del aire en Puebla es de aproximadamente 1.74
m/s (se consideraron los meses de Enero, Febrero y hasta el 7 de Marzo) y que el
área del lecho es de 1000 ft2 (92.903 m2) se puede calcular que el flujo de aire bajo
estas condiciones será de 161.651 m3/s.
Debido a que el lecho de secado contiene una capa de grava y otra de arena,
también se calculó el volumen requerido de acuerdo a las dimensiones obtenidas
anteriormente. Para este motivo se especifico que la capa de grava tendría una
profundidad de 12 pulgadas y la capa de arena una profundidad de 9 pulgadas, de
acuerdo a las recomendaciones obtenidas de la revisión bibliográfica.
Tabla 5.25 Volumen total de arena y grava para el lecho de secado
Volumen total de arena requerida
⎛9⎞
Varena = 20(N)(LN)⎜ ⎟ = 15(N)(LN)
⎝ 12⎠
Valor
Profundidad de grava, in
12
Profundidad de arena, in
9
N = Número de camas
4
LN = Longitud de la cama, ft
100
3
Vol. arena, ft =
6000
Vol. arena, L =
169901.08
Volumen total de grava requerida
V grava = 20 ( N )( LN )
Valor
3
Vol. grava, ft =
8000
Vol. grava, L=
226534.773
El uso de lechos de secado requiere la implementación de tuberías para el
proceso de drenaje. Por lo anterior, se puede especificar una tubería de 2 pulgadas
para el sistema de drenaje del lecho de secado debido a que el lodo fue desaguado en
el filtro prensa por lo que no habrá un escurrimiento significativo.
114
RESULTADOS
.
También se llevo a cabo el cálculo de la tubería requerida para las dimensiones
correspondiente del lecho de secado.
Tabla 5.26 Longitud total de tubería a utilizar
Longitud total de tubería, CPL
CPL = 2( N )( LN )
Valor
Longitud de tubería, ft =
800
Longitud de tubería, m =
243.840
Finalmente se determinaron las horas-hombre/año requeridas para la
operación y mantenimiento del lecho de secado, las cuales dependen de la cantidad
de sólidos aplicados por día. Los resultados se muestran a continuación.
Tabla 5.27 Horas-hombre/año requeridas para operación y mantenimiento del lecho de secado
Horas-hombre/año requeridas para operación =
2034.307296
Horas-hombre/año requeridas para mantenimiento =
1016.390592
Cabe mencionar que todos los cálculos realizados a lo largo del
Capitulo 5 se
encuentran detallados en el archivo que se encuentra elaborado en Microsoft Excel
titulado TESIS, PROGRAMAS FINALES, el cual se encuentra en el Anexo 1
115