Descripción de una sistema de tratamiento de agua potable

1. FACULTAD DE CIENCIAS
INGENIERÍA QUÍMICA
INGENIERÍA DE PLANTAS
INTEGRANTES:
 Karen Alvarado
 Jael Chacha
 Tanya Vega
 Amanda Vásconez
DOCENTE: Ing. Mónica Andrade
NIVEL: 10mo

2. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
INTRODUCCIÓN
El tratamiento del agua nace como consecuencia del descubrimiento de que a través de ella
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podía transmitirse el cólera, como lo demostró John
Snow, en Inglaterra, en 1800. El tratamiento de
aguas es el conjunto de operaciones unitarias de
tipo físico, químico o biológico cuya finalidad es la
eliminación o reducción de la contaminación o las
características no deseables de las aguas, bien sean
naturales, de abastecimiento, de proceso o
residuales; que sean nocivos para la salud humana.
El proceso de conversión de agua común en agua potable, se le denomina potabilización y
suelen ser procesos variados de acuerdo a la naturaleza del agua a tratar. Estos procesos
suelen consistir generalmente en Floculación, Filtración y Desinfección si el agua proviene
de manantiales naturales, aguas subterráneas, arroyos y lagos tanto naturales como
artificiales; en el caso de que se quiera tratar agua salada, el proceso a aplicar sería la
Ósmosis inversa o la Filtración.
Entonces se denomina agua potable al agua "bebible" en el sentido que puede ser
consumida por personas y animales sin riesgo de contraer enfermedades. El término se
aplica al agua que ha sido tratada para su consumo humano según unos estándares de
calidad determinados por las autoridades locales e internacionales.
DISEÑO DE PLANTA DE POTABILIZACIÓN DE AGUA
PROCESO DE POTABILIZACIÓN
CAPTACIÓN
DESBASTE
COAGULACIÓN
FLOCULACIÓN
DECANTACIÓN
FILTRACIÓN
AFINO CON
CARBÓN ACTIVO
DESINFECCIÓN

3. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
Captación: El proceso comienza con la toma del agua cruda de su fuente natural y que se
lleva a cabo mediante unas rejas de captación, suficiente para que entre bastante caudal
pero no tierra ni grandes cuerpos en suspensión
Desbaste: El agua es circulada por unas rejillas, que impiden que los materiales grandes
suspendidos en el agua entren a la estación.
Coagulación: Consiste en hacer pasar el agua cruda y turbia rápidamente a través de un
canal donde se va mezclando con un coagulante, como el sulfato de aluminio, cloruro
férrico y sulfato férrico; con el objeto de que las partículas de impureza que se encuentran
en suspensión en el agua se unan entre sí, formando otras de mayor peso y tamaño, que
serán más fáciles de eliminar.
Floculación: Consiste en someter el agua en un agitación, mezcla o movimiento lento, que
ayuda a la unión de varias moléculas compuesta por los ingredientes químicos y las
partículas de impureza del agua (como los coágulos) con otras de mayores tamaños,
llamadas flóculos.
Decantación: Luego de la Coagulación y la Floculación, el líquido es conducido hacia los
estanques que Decantación, con la finalidad de permitir la precipitación o decantación de
las partículas de impurezas hacia el fondo del estanque, esa permanece acá por varias
horas. Luego, desde el fondo se extraen las impurezas y el agua purificada que queda en la
superficie es enviada a la siguiente etapa.
Filtración: En esta etapa el agua entra a un estanque para el proceso de clarificación, dentro
de dicho estanque hay capas internas de arena y piedras de distintos tamaños que actúan
como filtros, dentro de estas capas quedan retenidas la mayoría de partículas en
suspensión que no lograron ser eliminadas en etapas anteriores. El agua al llegar al fondo
del estanque, esta cristalina, y de ahí es enviada a la siguiente etapa.
Afino con Carbón Activo: Luego de la Filtración, el agua pasa por unas columnas que
contienen Carbón Activo, con el objetivo de disminuir la materia orgánica, el olor, el color y
el sabor presente, ya que se quedan retenidas en la superficie del adsorbente.
Desinfección: En este proceso ocurre la destrucción de los últimos microorganismos que
aún podrían encontrarse presentes en el agua y que no pudieron ser eliminados en
procesos anteriores. El agente químicos desinfectante más utilizado es el cloro residual, el
cual es introducido al agua a través de difusores y es la más aplicable, puesto que tiene
gran capacidad de oxidar sustancias inorgánicas.
Depósitos de Servicio: Finalmente, luego del proceso de Potabilización, el agua es
bombeada para su posterior almacenaje en los llamados depósitos de servicio, para luego
ser distribuidas.
PUNTOS A CONSIDERAR PARA LA POTABILIZACIÓN DEL AGUA
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DEPÓSITOS DE
SERVICIO

4. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
Para diseñar un Sistema de Tratamiento de Agua Potable debemos tomar en consideración
los siguientes puntos:
Sistema Actual a Diseñar: Dada la importancia que los datos relacionados con los servicios
sanitarios existentes, tendrán para los futuros diseños, es necesario presentar y describir en
la forma más detallada posible, las condiciones y características del sistema de agua potable
en servicio, para lo cual, deberá observarse las varias partes del sistema haciendo referencia
a los puntos que a continuación se indican:
Captaciones: (para cada uno de los sistemas)
 Nombre de la fuente o del sitio
 Origen del agua: río, quebrada, manantial, laguna, etc.
 Situación de las fuentes con respecto a la población, distancia y diferencias de
elevación.
 Caudal: aforo a la fecha, determinación a máximo estiaje (caudal mínimo) y en
crecientes en varias épocas del año.
 Estado de las captaciones: estructuras, condiciones sanitarias, posible utilización,
etc.
 Calidad del agua: en invierno, en verano y a la fecha. Se tomaran muestras de agua
para examen físico-químico completo.
 En los casos que sean posibles se tomaran muestras para exámenes
bacteriológicos.
Aducciones
 Longitudes y pendientes.
 Diámetros y secciones.
 Materiales empleados.
 Pozos de revisión, válvulas de aire, de desagüe, etc.
Tratamiento: Debe describirse las unidades existentes indicando:
 Tipo: sedimentadores, aeradores, filtros, etc.
 Número y capacidad de cada una.
 Tasas de trabajo.
 Accesorios.
 Estado de conservación y funcionamiento.
Reserva:
 Capacidad.
 Altura con respecto a la población.
 Material de construcción.
 Tipo de cubierta y bocas de visita.
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5. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
 Válvulas y accesorios.
 Estado de conservación.
 Registros de consumo (anual, diario, horario).8
Otros: Entre otros puntos importantes se puede tratar:
 Red de distribución
 Estaciones de bombeo
DISEÑO
El diseño de la planta de tratamiento de agua potable se realizará desde el momento en que
el agua ingresa por tanto no necesitaremos realizar cálculos del sistema de captación ni de
aducción, sino desde el almacenamiento del agua cruda y su tratamiento de potabilización.
Considerando las características físico-químicas y microbiológicas del agua, para lograr
obtener un agua potable de calidad, con las características requeridas, y apta para su
consumo, se determina el siguiente proceso como mecanismo de tratamiento de
potabilización.
Sistema de almacenamiento: Se realizará el diseño de un tanque el cual nos ayudara a
almacenar el agua que posteriormente será tratada. El tanque tendrá una capacidad de
almacenamiento según la necesidad esta sea para tener, para abastecimiento normal de la
empresa, población etc. Además se debe tomar en cuenta el caudal que se tiene.
 Diseño del tanque de almacenamiento
Volumen del tanque de almacenamiento
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푉푇퐴 = 푄 푥 푡푟
Donde:
푉푇퐴: Volumen del tanque de almacenamiento (m3)
Q: caudal de diseño (m3/día)
Tr: tiempo de retención (día)
Altura del tanque
ℎ 푇퐴 =
푉푇퐴
퐴 푇퐴
Donde:
푉푇퐴: Volumen del tanque (m3)
퐴 푇퐴: Área del tanque (hay que asumir) (m2)
Dimensionamiento de la Bomba del Tanque de Almacenamiento
Diseño de la bomba

6. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
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4 푥 푄푖
푣 푥 휋
퐷 = √
Donde:
D: diámetro (m)
V: velocidad (m/día)
Pérdidas por fricción H2 en tuberías impulsión.
푯ퟐ = ퟏퟎ, ퟔퟕퟒ (
푸ퟏ,ퟖퟓퟐ
푪ퟒ,ퟖퟕퟏ풙푫ퟏ,ퟖퟓퟐ) 푳
Donde:
L = Longitud de la tubería
C = Coeficiente Hazzen Williams (125)
D = Diámetro de la tubería
Pérdidas por accesorios
푯ퟑ = ퟏퟎ, ퟔퟕퟒ (
푸ퟏ,ퟖퟓퟐ
푪ퟒ,ퟖퟕퟏ풙푫ퟏ,ퟖퟓퟐ)푯푨푪
Donde:
L = Longitud de la tubería
C = Coeficiente Hazzen Williams (125)
D = Diámetro de la tubería en impulsión.
HAC: Perdidas por accesorios
Cálculo de la altura total de bombeo
푨푫푻 = 푯ퟏ + 푯ퟐ + 푯ퟑ + 푷푬푸푼푰푷푶
Donde:
ADT: Cálculo de la altura total de bombeo
PEQUIPO: Presión a la que trabajan los equipos (desionizador y descationizador)
Calculo de flujo másico
푾 = 흆 × 푸
Donde:
휌: Densidad del agua (kg/m3)
W: flujo másico (kg/s)
Q: caudal (m3/s)
Cálculo de la potencia de la bomba

7. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
INGENIERÍA DE PLANTAS
푯풑 =
푾 × 푨푫푻
ퟕퟓ × ퟎ, ퟕퟓ
Dónde:
Hp: Potencia de la bomba
Desionizador “Intercambiador de Cationes y Aniones”: Este equipo consta de dos tanques
gemelos, que nos van a ayudar a eliminar, los cationes y los aniones presentes en el agua y
que son responsables de la elevada dureza y alcalinidad en la misma. Este equipo será una
secuencia primero el agua ingresara al tanque para intercambio de cationes y
posteriormente al intercambio de aniones. Se consultara las mejores resinas de intercambio
y su regeneración, el retrolavado para la regeneración de la resina se lo hará manualmente
el tiempo de regeneración es de 30 a 60 segundos, en el intercambiador de cationes se lo
hará cada 200m3 es decir cada 4 meses y en el intercambiador de aniones se lo hará cada
100m3 es decir cada 2 meses. Se recomienda utilizar las siguientes resinas: en el
intercambiador de cationes la resina acido fuerte tipo gel KW-8, y en el intercambiador de
aniones la resina base fuerte tipo gel AW-4. Como el agua no posee turbiedad, el agua
pasara directamente a la etapa de desinfección. Se trabajara con el mismo caudal.
 DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CATIONES
Volumen de resina necesaria
푽풓풆풔풊풏풂 = 푮푷푮 풙 풍풃 풅풆 풔풂풍
DISEÑO DEL TANQUE DE INTERCAMBIADORES DE CATIONES
Volumen del Tanque
푽푻푪 = 푽풓풆풔풊풏풂 × 푬
Dónde:
푽푻푪 = Volumen del tanque intercambiador de cationes
푽풓풆풔풊풏풂 = Volumen de la resina necesaria
푬= Expansión de la resina al retrolavarla
Altura del tanque asumida

8. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
Área del tanque
INGENIERÍA DE PLANTAS
푨푻푪 =
푽푻푨푵푸푼푬
풉푻푨푵푸푼푬
Dónde:
푨푻푪= área del tanque intercambiador de cationes
Diámetro
퐷1 = √
4퐴푟푐
휋
Altura de los difusores
ℎ푑1 =
푉푅퐸푆퐼푁퐴 × 퐼
퐴푟푐
Altura de los difusores
ℎ푑1 =
푉푅퐸푆퐼푁퐴 × 퐼
퐴푟푐
Diseño mecánico del tanque
Espesor de las tapas torio-esféricas
퐸푡 =
0.885 × 푃 × 퐷1
푆 퐸 − 0.1푃
+ 0.625
P= presión máxima
E= factor de soldadura
Di= Diámetro interno
S= Resistencia del material
Cálculo de Radio
푟 =
퐷1
16
Espesor del falso fondo
푭풇 = ퟏퟎ−ퟐ × 풂 × (ퟎ. ퟓퟏퟒ푷)ퟏ/ퟐ

9. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
Dónde:
a=r
P= (1 psi/pie × r)
Deflexión del falso fondo
INGENIERÍA DE PLANTAS
Δ=
푃′ × 푟4
32 × 퐸푚 × 퐹푓3
Dónde:
Δ=Deflexión
R= radio
P’= (1psi/pie×D1)
Em=Módulo de elasticidad
Fm=Espesor comercial del falso fondo
Espesor del envolvente
푬풆 =
푃 × 퐷푖 /2
푆퐸푠 − 0.6푃
Dónde:
P= Presión máxima
Es= factor de soldadura
Di= Diámetro interno
S= Resistencia del material
 DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE ANIONES
DISEÑO DEL TANQUE INTERCAMBIADOR DE ANIONES
Volumen del Tanque
푉푇퐴 = 푉푟푒푠푖푛푎 × 퐸
Dónde:
푉푇퐴= Volumen del tanque intercambiador de aniones
푉푟푒푠푖푛푎= Volumen de la resina necesaria
퐸= Expansión de la resina al retrolavarla
Altura del tanque asumida
Área del tanque

10. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
INGENIERÍA DE PLANTAS
푨푻푪 =
푽푻푨푵푸푼푬
풉푻푨푵푸푼푬
Dónde:
푨푻푪= área del tanque intercambiador de cationes
Diámetro
퐷1 = √
4퐴푟푐
휋
Diseño mecánico del tanque
Espesor de las tapas torio-esféricas
퐸푡 =
0.885 × 푃 × 퐷1
푆 퐸 − 0.1푃
+ 0.625
P= presión máxima
E= factor de soldadura
Di= Diámetro interno
S= Resistencia del material
Cálculo del Radio
푟 =
퐷1
16
Espesor del falso fondo
푭풇 = ퟏퟎ−ퟐ × 풂 × (ퟎ. ퟓퟏퟒ푷)ퟏ/ퟐ
Dónde:
a=r
P= (1 psi/pie × r)
Deflexión del falso fondo
Δ=
푃′ × 푟4
32 × 퐸푚 × 퐹푓3

11. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
Dónde:
Δ=Deflexión
R= radio
P’= (1psi/pie×D1)
Em=Módulo de elasticidad
Fm=Espesor comercial del falso fondo
Espesor del envolvente
INGENIERÍA DE PLANTAS
푬풆 =
푃 × 퐷푖 /2
푆퐸푠 − 0.6푃
Dónde:
P= Presión máxima
Es= factor de soldadura
Di= Diámetro interno
S= Resistencia del material
Desinfección: Se lo hará con hipoclorito en un tanque de cloración se trabajara con el
mismo caudal. Se considera como dosis necesaria 1,5 mg/L para que la desinfección sea
eficaz, la solución será al 5%.
 DISEÑO DEL TANQUE DE CLORACIÓN
Dosificación
Cálculo del peso de hipoclorito
푷푪풍 = 푄 × 푑
Dónde:
푃퐶푙 : Peso del cloro en g/h
푄: Caudal de diseño en m3/h
푑: Dosis de cloro necesario en g/m3
Cálculo del peso del producto comercial
푷푪 =
푃 × 100
푟
Dónde:

12. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
푃퐶 : Peso del producto comercial g/h
푟: Porcentaje de cloro activo q contiene el producto comercial
Cálculo de la demanda horaria de la solución
INGENIERÍA DE PLANTAS
풒풔 =
푷푪 × 100
푪풔
Dónde:
푃퐶 : Peso del producto comercial Kg/h
푞푠: Demanda horaria de la solución en l/h
퐶푠: Concentración de la solución
Cálculo del volumen de la solución
푽풔 = 푞푠 × 푡
Dónde:
푡 : Tiempo de retención.
DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE DE CONTACTO PARA LA MEZCLA DE CLORO
Cálculo del volumen del tanque de hipoclorador
푽푯푪풍 = 푄 × 푡푟 × 푓푠
Dónde:
푉퐻퐶푙 : Volumen del tanque hipoclorador de almacenamiento en m3
푄 : Caudal de diseño en m3/día
푡푟 : Tiempo de retención en días
푓 : Factor de Seguridad 10%
Asumimos un área
Área del tanque
푨푻푪 = 2 푚2
Dónde:
푨푻푪 ∶ Área del tanque Hipoclorador de almacenamiento
Altura del tanque

13. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
INGENIERÍA DE PLANTAS
풉푻푪 =
푉푇퐴푁푄푈퐸
퐴푇퐴푁푄푈퐸
Dónde:
ℎ 푇퐶 : Altura del tanque Hipoclorador de almacenamiento

14. DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA PROPUESTO PARA LA POTABILIZACIÓN DEL AGUA

15. DIMENSIONAMIENTO DE UNA PLANTA DE AGUA POTABLE
DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA PROPUESTO PARA LA POTABILIZACIÓN DEL AGUA
TANQUE DE
ALMACENAMIENTO
INGENIERÍA DE PLANTAS
TANQUE DE CLORACIÓN
DESIONIZADOR
Caudal
Salida
INTERCAMBIADOR
CATIONES
INTERCAMBIADOR
ANIONES