5.1 Proceso de secado de lodocatarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lpro/maldonado... ·...

RESULTADOS

91

55.. RREESSUULLTTAADDOOSS

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

0 2 3 4 5 6 8

FECHA 29-Oct 31-Oct 01-Nov 02-Nov 03-Nov 04-Nov 06-Nov

HORA 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

9 10 12 13 15 16 17

FECHA 07-Nov 08-Nov 10-Nov 11-Nov 13-Nov 14-Nov 15-Nov

HORA 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.

T (°C) 20 18 21 22 22 23 21

% HUMEDAD 67 65 66 58 60 58 59

HORA 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 22 23 23

% HUMEDAD 62 63 64 63 62 61

DÍA DE SECADO

18 19 22 25 26 27 28 29

FECHA 16-Nov 17-Nov 20-Nov 22-Nov 23-Nov 25-Nov 26-Nov 27-Nov

HORA 09:37 a.m. 12:00 a.m. 11:30am 11:45 a.m. 11am 09:00 a.m. 11:00am 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 09:00 p.m. 06:10 p.m. 6:20pm 6:10pm 6pm

T (°C) 20 22 19 21 22

% HUMEDAD 54 58 30 50 53

RESULTADOS

HR y Temperatura respecto a días de secado

0

10

20

30

40

50

60

70

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



W1 (sólido húmedo), g 5.75 5.983 5.673 5.216 6.786 5.092

92

RESULTADOS

93

W2 (sólido seco), g 2.473 2.647 2.58 2.5 3.336 2.627


16 17 18 19 22 25

PESO CRISOL, g 29.301 28.498 29.302 20.131 28.5 29.306



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


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 3.37 4.11 4.138 3.251

% Humedad, base húmeda 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.

RESULTADOS

94

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

( lbmol agua/lb mol aire seco)


(kg mol agua/kg mol aire seco)

Humedad libre, X = Xt - X* 1.925 1.779 1.702 1.617 1.533 1.457

8 9 10 12 13 15

FECHA 06-Nov 07-Nov 08-Nov 10-Nov 11-Nov 13-Nov



( lbmol agua/lb mol aire seco) Humedad de equilibrio, X* 0.011 0.009 0.011 0.010 0.009 0.012



16 17 18 19 22 25

FECHA 14-Nov 15-Nov 16-Nov 17-Nov 20-Nov 22-Nov







26 27 28 29

FECHA 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


Humedad de equilibrio, X* 0.004 0.008 0.006 0.009


Humedad libre, X = Xt - X* 0.577 0.559 0.547 0.531

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 vs TIEMPO

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Tiempo (días)

Hum

edad

libr

e (k

g H

2O/k

g só

lido

seco

)

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 vs TiempoIntervalo 1

y = -0.0782x + 1.932R2 = 0.9986

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1.400

1.600

1.800

2.000

2 3 4 5 6 7 8 9Tiempo (2 a 8 días)

Hum

edad

libr

e (k

g H

2O/k

g só

lido

seco

)

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 A, m2 0.35

R1, kg agua/día m2 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.


y = -0.0412x + 1.5433R2 = 0.9994

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

15 15.5 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5

Tiempo (15 a 19 días)

Hum

edad

libr

e (k

g H 2

O/k

g só

lido

seco

)

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



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


y = -0.0151x + 0.9697R2 = 0.9965

0.520

0.530

0.540

0.550

0.560

0.570

0.580

0.590

0.600

25 26 27 28 29

Tiempo (25 a 29 días)

Hum

edad

libr

e (k

g H 2

O/k

g só

lido

seco

)

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



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

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2Humedad libre (kg H2O/kg sólido seco)

Velo

cida

d de

sec

ado

(kg

H 2O

/día

m2 )

R1R2R3

Figura 5.7 Velocidad de secado vs Humedad libre para los tres intervalos analizados

Velocidad de secado vs Tiempo

0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Tiempo (días)

Velo

cida

d de

sec

ado

(kg

H2O

/día

m2 )

R1R2R3

Figura 5.8 Velocidad de secado vs Tiempo para los tres intervalos analizados

99

RESULTADOS

100

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.

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


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

0.90

0.93

0.95

0.98

1.00

1.03

1.05

1.08

1.10

1.13

1.15

1.18

1.20

0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90

X, kg H2O libre/kg sólido seco

1/R

, (1/

kg H

2O/m

2 día

)

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 0.8 X2 0.75 Área bajo la curva

A1 0.017 A2 0.016 A3 0.016 A4 0.014 Σ = 0.063

Ls/A = 24.513 Tiempo, días 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

104

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 0.3 Densidad agua alimentada, kg/L 1.05 Densidad lodo seco, kg/L 1.2 Flujo de sólidos suspendidos al filtro prensa, % 4 Metcalf & Eddy especifica un rango de 2-5%, con un valor típico de 4 Horario de operación para el filtro, horas por día 8 Gravedad específica del lodo 1.05 Metcalf & Eddy especifica un valor 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.

RESULTADOS

105

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.

RESULTADOS

106

Tabla 5.13 Volumen de filtro prensa y tiempo de ciclo con 28 marcos

Volumen del Filtro Prensa Valor

Volumen de Cámara, ft3 0.5 Número de Placas 28

Vol. Filtro prensa, ft3 = 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 8 Tiempo de ciclo de filtrado, horas por ciclo 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:

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 = 475.723 Masa de lodo por día, kg/día = 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 Valor μ = Viscosidad de filtrado, lb/ft 6.60E-04 u = Velocidad lineal de filtrado, basado en área de filtrado, ft/s 2.0048E-06 Flujo volumétrico de la bomba, ft3/s 0.056 Área Total, (Núm marcosxÁrea marco), ft2 27783 sp = Superficie de partícula, ft2 3.34E-08 vp = Volumen de partícula, ft3 4.59E-12 ε = Porosidad de torta 0.5

Δp/ΔL, lbf/ft = 0.584

3

22 )/()1)((17.4ε

υεμ ppsudLdp −

=

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

109

Tabla 5.17 Caída de presión en la succión

CAÍDA DE PRESIÓN EN LA SUCCIÓN Parámetro Valor

Densidad (lb/ft3): 62.315 Viscocidad (cP): 0.982

Gravedad específica 1.02 Presión de vapor (psia): 0.339

Diámetro interno (in): 7.981 Flujo (gpm): 25

Altura(-) o columna(+) de succión (ft): 11.483

Rugosidad absoluta: 0.00085 Longitud (ft): 32.808

Velocidad = 0.160 No. Reynolds = 10048.443

f = 0.0327 Tubería: K total

1.613

Pérdidas por fricción (ft) = 0.00064 Pérdidas por fricción (psi) = 0.00028

Cabeza de succión (ft) = 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

Densidad (lb/ft3): 62.316 Viscocidad (cP): 0.982

Gravedad específica 1.02 Presión de atmosférica (psia): 14.696

Diámetro interno (in): 7.981 Flujo (gpm): 25

Altura de descarga (ft): 16.404 Rugosidad absoluta: 0.00085

Longitud (ft): 49.213

Velocidad = 0.160

RESULTADOS

110

Reynolds = 10048.443 f = 0.033

Accesorio Cantidad Codo 45º 2

Codos 90º 1 Coeficiente de resistencia, K 1.046

Válvula de compuerta 1 0.981

Válvula de globo 2 0.262

Tubería K total = 22.236

2.419 hL, Pérdidas por fricción (ft) = 0.011 26.945 Pérdidas por fricción (psi) = 0.0047

Cabeza de descarga (ft) = 132.902

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) = 58.684 Cabeza diferencial total (ft) = 54.856 Columna estática total (ft) = 4.921

NPSH disponible (ft) = 139.032 Caída de presión del filtro prensa = 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.

RESULTADOS

111

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 10 Alto, ft 5 Área del lecho, ft2 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 1.2

Profundidad de lodo aplicado, ft 0.667

Volumen del lecho, ft3 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

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

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 0.75 E = Tasa de evaporación, in/mes 4.635 b = fracción de agua absorbida por el lodo 0.57 R = lluvia durante el mes húmedo, in/mes 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 3

Tiempo de secado, días = 31.7

do t

SSbRaESH

T +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=

21

11**30

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 Valor

Área superficial requerida = 2672.567

)48.7()12)((

´supH

TQerficialÁrea s=

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 52.282 Temperatura aire promedio, °F 57.821 Humedad, lb mol agua/lb mol aire seco 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 Valor

Profundidad de grava, in 12 Profundidad de arena, in 9 N = Número de camas 4

LN = Longitud de la cama, ft 100

Vol. arena, ft3 = 6000 Vol. arena, L = 169901.08

Volumen total de grava requerida

Valor

Vol. grava, ft3 = 8000 Vol. grava, L= 226534.773

))((15129))((20 LNNLNNVarena =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

))((20 LNNV grava =

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 Valor

Longitud de tubería, ft = 800 Longitud de tubería, m = 243.840

))((2 LNNCPL =

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

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