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4.4 Discusión de resultados.

Tomando como base la grafica general, llegamos a la conclusión de que la cantidad de coagulante que verteremos será 0.2ml por litro.

Este dato lo establecemos debido a que los parámetros de tiempo rendimiento, tienen el mejor resultado, garantizando con ello una separación ideal.

Otros aspectos que consideramos dentro de la realización de las pruebas de jarras, observamos un mejor comportamiento de la separación si el agua es estabilizada en su acides mediante la adición de Hidróxido de Sodio.

Objetivo Específico:

Proponer un sistema semiautomático para la planta de tratamiento, así como la elección del equipo necesario.

Todo sistema de tratamiento de agua debe ser diseñado para que brinde un aprovechamiento adecuado de materiales, tiempos y recursos. Por esto se plantea, la selección de equipo y se brinda una descripción del sistema, lo cual permitirá implementar la automatización y el control de los elementos que componen a este.

5.1 Selección del equipo de bombeo.

Para definir el equipo que usaremos para el bombeo del agua tratada, a nuestro tanque elevado, el dato que requerimos conocer es la cantidad de agua en metros cúbicos que se desea bombear que es de:

Agua tratada a mover 18 m3 de agua.

Con este dato, dentro de la gama de equipos de la marca Sistemas de Bombeo.com con ubicación electrónica para los tipos de bomba que requerimos en http://www.sistemasdebombeo.com/equipos/baja-media- presion.html de la cual optamos por utilizar la bomba centrifuga:

Figura 7: Bomba Centrífuga 7752MEAU

Con las siguientes características:

Bomba centrífuga de caracol, con succión frontal radialmente partida de un solo paso, impulsor de fierro gris tipo cerrado, sello mecánico con caras de cerámica y carbón tipo 6 de 1”, voluta de fierro gris con succión roscada de 3” NPTF y descarga roscada de 3” NPTF, válvula de purga de 1/8” NPT de latón . Acoplada directamente a motor eléctrico de corriente alterna, cerrado con ventilación exterior forzada protección externa IP 54 de 7.5 H.P., trifásico 220/440 volts 60 ciclos 2 polos 3500 r.p.m., con brida “C”, flecha “JM”.

5.2 Selección del equipo de mezclado.

Este equipo conformado por una parte de contacto que son el mezclador y la flecha, y otra de fuerza que es el motor, requiere de dos consideraciones necesarias para su elección.

La parte de contacto.

El diámetro de las aspas debe ser de un tercio del diámetro del tanque

D = d / 3

Donde: D es el diámetro del tanque y d es el diámetro de las aspas.

El largo de la flecha debe ser de la mitad de la altura del tanque.

L = H /2

Donde: H es la altura del tanque y L es el largo de la flecha.

Parte de Fuerza.

El motor debe ser seleccionado según la carga de agua que debe mover y tomando en consideración no rebasar las 1200 revoluciones por minuto, por consideraciones técnicas del PAX.

Por lo tanto, si la cantidad de agua a mover es de 18 000 litros y debe ser en un periodo de tres minutos.

Seleccionamos un equipo que cumpla con las características antes mencionadas guiándonos entre tres que nos ofrece el proveedor Aquaser con referencia electrónica en http://www.aquaser.com/abs.html-

Figura 8: Mezclador Y tenemos como mejor opción el producto ECOMIX.

Con las especificaciones:

Un amplio rango de mezcladores sumergibles con motores entre 1.5 y 22 kW para agitar, mezclar, disolver y mantener sólidos en suspensión en Plantas de Tratamiento de Agua Residual, en la industria y agricultura.

ABS ofrece mezcladores de alta calidad y eficiencia con mayores estándares y encapsulados a prueba de explosión. ABS cuenta con un software para el dimensionamiento para cada instalación.

Diámetro de propela 900 mm

5.3 Selección del filtro

Para esta selección, tomaremos los datos proporcionados por la empresa Carbotecnia con su página de internet http://www.carbotecnia.info/ en la cual se encontró la información acerca de sus tipos de filtros especificados en http://www.carbotecnia.info/multimedia.htm.

Las características de los filtros se presentan en la siguiente tabla, contienen los aspectos de dimensiones para el tanque del filtro, volumen del medio filtrante los cuales están dados en Pies Cuadrados y Pies Cúbicos respectivamente, por lo que será necesaria una conversión para tener una idea mas clara de sus dimensiones.

Otros datos que contiene la tabla son flujo alto, normal, pico y de retro lavado en Litros Por Minuto con los cuales haremos la selección tomando como antecedente el flujo que maneja nuestro equipo de bombeo.

TANQUE AREA TANQUE PIES2 VOLUMEN TANQUE PIES3 MEDIOS FILTRANTES PIES3 FLUJO ALTO LPM FLUJO BAJO LPM FLUJO PICO LPM FLUJO DE RETROLAVADO LPM 8” x 40” 0.35 1.16 0.75 13.21 16.50 19.80 7.27 9” x 48” 0.44 1.58 1.00 16.72 20.90 25.10 9.20 10” x 54” 0.54 2.19 1.50 20.44 25.50 30.70 11.24 12” x 52” 0.78 3.00 2.0 0 29.52 36.90 44.30 16.24 13” x 54” 0.92 3.68 2.00 34.82 43.50 52.20 19.15 14” x 65” 1.07 5.10 3.00 40.46 50.60 60.70 22.25 16” x 65” 1.39 6.60 4.00 52.61 65.80 78.90 28.94 18” x 65” 1.77 8.30 5.00 66.88 83.60 100.30 36.79 21” x 62” 2.41 11.00 7.00 91.04 113.80 136.60 50.07 24” x 72” 3.14 13.40 1000 118.91 148.60 178.40 65.40 30” x 72” 4.91 25.00 15.00 185.79 232.20 278.70 102.18 36” x 72” 7.07 35.30 20.00 267.60 334.50 401.40 147.18 42” x 72” 9.62 46.10 30.00 364.12 455.10 546.20 202.26 48” x 72” 12.57 61.90 40.00 475.77 594.70 713.70 261.68 63” x 67” 21.65 80.20 55.00 819.34 1024.20 1229.00 450.64

Tabla 6: Dimensiones del tanque en pulgadas.

Para realizar la conversión tenemos que 1 Pie = 0.3048 metros

Por lo tanto tendremos que 1pie2 será = 0.09290304 metros2 y 1 pie3 = 0.028316846592 metros3

En la tabla 6 se presentan los datos de la tabla anterior pero ahora con su equivalencia en metros.

TANQUE AREA TANQUE METROS2 VOLUMEN TANQUE METROS3 MEDIOS FILTRANTES METROS3 FLUJO ALTO LPM FLUJO BAJO LPM FLUJO PICO LPM FLUJO DE RETROLAVADO LPM 8” x 40” 0.0325 0.0328 0.0212 13.21 16.50 19.80 7.27 9” x 48” 0.0408 0.0447 0.0283 16.72 20.90 25.10 9.20 10” x 54” 0.0501 0.0620 0.0425 20.44 25.50 30.70 11.24 12” x 52” 0.0724 0.0849 0.0566 29.52 36.90 44.30 16.24 13” x 54” 0.0854 0.1042 0.0708 34.82 43.50 52.20 19.15 14” x 65” 0.0994 0.1444 0.0850 40.46 50.60 60.70 22.25 16” x 65” 0.1291 0.1869 0.1133 52.61 65.80 78.90 28.94 18” x 65” 0.1644 0.2350 0.1416 66.88 83.60 100.30 36.79 21” x 62” 0.2238 0.3114 0.1982 91.04 113.80 136.60 50.07 24” x 72” 0.2917 0.3794 0.2832 118.91 148.60 178.40 65.40 30” x 72” 0.4561 0.7079 0.4248 185.79 232.20 278.70 102.18 36” x 72” 0.6568 0.9996 0.5663 267.60 334.50 401.40 147.18 42” x 72” 0.8937 1.3054 0.8495 364.12 455.10 546.20 202.26 48” x 72” 1.1678 1.7528 1.1327 475.77 594.70 713.70 261.68 63” x 67” 2.0114 2.2710 1.5574 819.34 1024.20 1229.00 450.64

Tabla 7: Tabla de dimensiones en metros2

Como resultado tenemos que la mejor opción es el filtro con tanque de 63”x67”

5.4 Descripción del sistema.

Este sistema esta conformado por:

Llenado del tanque de tratamiento. Adición de hidróxido.

Adición de Coagulante Agitación

Reposo para asentamiento de lodos

Bombeo del agua al tanque de almacenamiento Paso por el filtro

Llenado del tanque de Almacenamiento Desfogue de lodos

Adición del cloro

5.5 Diseño del sistema de control y automatización

Para comprender el control del sistema primero presentamos una descripción que muestra el comportamiento del mismo.

5.5.1 Descripción del comportamiento del sistema.

El sistema en sus condiciones iníciales, sus tanques se encuentran ambos vacíos.

Al empezar su funcionamiento, al agua debe llegar al tanque de tratamiento, hasta llenarlo.

Una vez lleno el tanque empezaran a realizarse los siguientes procesos, estabilizar el pH, adición de coagulante, mezcla rápida y sedimentación.

Cuando termina el tiempo de sedimentación se empieza el bombeo del agua hacia el tanque de almacenamiento y el paso por el filtro.

Empezando el llenado del tanque de almacenamiento se le añade cloro para la desinfección.

Terminando el bombeo se desfogan los residuos del tanque de tratamiento y se reinicia el llenado del mismo, repitiendo el mismo proceso.

5.5.2 Elementos de control.

Ahora se presentara una lista de los elementos necesarios para el control y una breve descripción de su funcionamiento.

Sensores Transmisores de nivel: se utilizan para medir el nivel de los tanques, tienen dos estados, alto y bajo.

Sensor transmisor de pH: toma una medición de la acidez del agua, en un rango entre el 0 y el 14, esta medición la ocupamos para estabilizar el pH del agua.

Válvulas de control: elementos finales de control que se encargan de la apertura y cierre para el paso del agua.

Bombas dosificadoras: regulan la cantidad de químicos que les sea programada en un tiempo específico.

Bomba impulsora: elemento de potencia que se encarga de mover el agua del tanque de tratamiento al de almacenamiento.

Motor del agitador: maquina eléctrica con la potencia suficiente para realizar el trabajo mover el agua y realizar una mezcla rápida de los químicos adicionados al agua.

Controlador Lógico Programable (PLC): dispositivo electrónico encargado del control del sistema por medio de un programa cargado a él, en el cual se sigue una filosofía de control, que se rige por la cantidad de entradas y salidas requeridas en el proceso.

5.5.3 Entradas y salidas del sistema.

Para la realización de la filosofía, el programa y la selección del controlador se requiere un análisis del tipo y cantidad de las entradas y salidas del sistema.

a) Entradas:

ELEMENTO TIPO RANGO O ESTADO Etiqueta en PLC

Botón un polo un tiro Discreta 1 Encendido, 0 Apagado I 0.0 Sensor transmisor de nivel (T. T.) Discreta 0 Nivel Bajo,1 Nivel Alto I 0.1 Sensor transmisor de nivel (T. A.) Discreta 0 Nivel Bajo,1 Nivel Alto I 0.2 Sensor transmisor de pH Analógica 0 – 14 I 0.3

Tabla 8: Elementos de entrada.

b) Salidas:

ELEMENTO TIPO RANGO O ESTADO Etiqueta en PLC

Válvula de entrada (T. T.) Discreta 0 Abierto,1 Cerrado Q 0.0 Válvula de salida (T. T.) Discreta 0 Abierto,1 Cerrado Q 0.1 Válvula de desfogue Discreta 0 Abierto,1 Cerrado Q 0.2 Bomba dosificadora (PAX) Discreta 1 Abierto,0 Cerrado Q 0.3 Bomba dosificadora (NaOH) Discreta 1 Abierto,0 Cerrado Q 0.4 Bomba dosificadora (Cl2) Discreta 1 Abierto,0 Cerrado Q 0.5

Bomba impulsora Discreta 1 Arranque,0 Paro Q 0.6 Motor del agitador Discreta 1 Arranque,0 Paro Q 0.7

Con base en estas características optamos por el uso de un PLC con capacidad para entradas analógicas y digitales, y salidas puramente digitales.

Ahora pasemos a la descripción de la filosofía de control.

5.5.4 Filosofía de control.

Así es como se conoce al conjunto de reglas y parámetros para el diseño del programa de control y para este caso en particular son las siguientes:

Condiciones iníciales.

Entradas:

Sensor Transmisor de Nivel (T. T.) en estado de Nivel Bajo. Sensor Transmisor de Nivel (T. A.) en estado de Nivel Bajo. Sensor Transmisor de pH sin señal.

Salidas:

Válvula de Entrada (T. T.) en estado Abierto. Válvula de Salida (T. T.) en estado Cerrado. Válvula de Desfogue (T. T.) en estado Cerrado.

Bomba Dosificadora (PAX) en estado Cerrado. Bomba Dosificadora (NaOH) en estado Cerrado. Bomba Dosificadora (Cl2) en estado Cerrado. Bomba Impulsora en estado de Paro.

Motor del Agitador en estado de Paro.

Operación:

El agua entra a través de VE hasta llevar al STN (T. T.) a estado de NA.

Una vez realizada esa acción los siguientes elementos cambian de estado, VE pasa a Cerrado, STpH toma una lectura y el controlador manda una señal para que BD (NaOH) pase a Abierto, el MA pasa a Arranque por un periodo de 3 minutos a partir del cierre de VE, 45 segundos después del cierre de VE activar el estado Abierto de BD (PAX).

Al cumplirse una hora del término de la agitación, se aplicaran las siguientes acciones, verificar que el estado de STN (T. A.) sea NB de ser así el estado VS pasa a Abierto y BI pasa a Arranque hasta que STN (T. T.) sea de nuevo NB o STN (T. A.) sea NA, y a los 2 minutos de haber empezado el bombeo BD (Cl2) debe pasar a Abierto.

Cuando el bombeo termine, sucederá lo siguiente, VD pasara a Abierto durante un lapso de 5 minutos, una vez terminada esta acción VE pasa a Abierto una vez mas y así se repite el proceso.

5.5.5 Programa para PLC

5.5.6 Variables del sistema.

Las variables a controlar en este sistema son:

Flujo. pH. Nivel. Tiempos.

Las variables a medir son:

Nivel. pH.

5.5.7 Diagrama de control. Figura 10: DTI. 5.5.8 Instrumentos y equipos Válvulas: 1 válvula 3 vías. 3 válvulas dosificadoras. 2 válvulas de compuerta.

Actuadores:

2 relevadores 12 Vcd a 127 Vca. 3 actuadores de solenoide 12Vcd.

Transmisores:

2 transmisores de nivel alto y bajo, salida digital. 1 medidor de pH salida analógica.

Motores:

Motor para agitación de ½ HP. Bomba impulsora de aire de 1 HP.

Controlador:

5.6 Diseño de los tanques.

El diseño se realizo a partir de las cantidades de demanda de agua por habitante obtenidas de CONAGUA; los siguientes cálculos para el dimensionamiento de ambos tanques, tomando los valores a su máximo consumo.

El consumo aproximado por habitante es de 360 litros al día.

Los datos que especifican el alcance de nuestro diseño son:

Un conjunto de 50 casas.

Con un promedio de 5 habitantes por casa.

Y el cálculo nos queda así:

+ , + × = × = ×

Si tomamos este dato como el máximo a tratar por día, para darnos una mejor idea de que dimensiones pueden ser los tanques hacemos una equivalencia de litros a metros cúbicos (m3).

= ×

Pensando en que el tratamiento se lleve acabo de dos a tres veces por día dividimos el resultado anterior entre tres, asegurando que el tiempo en la captación de agua y el tratamiento serán continuos.

Para alcanzar ese volumen las medidas propuestas para el tanque de tratamiento serian:

Largo 3m. Volumen tanque = Largo * Ancho * Profundo.

Ancho 3m.

Profundo 2m. Volumen tanque = 3m * 3m * 2m = 18 m3.

Sin embargo, es necesario un volumen extra para la sedimentación, el cual proponemos tenga forma de cuña con un profundo extra de 0.5m y lo denominaremos Volumen cuña.

Base 3m. Volumen cuña = (Base * Alto * Ancho) / 2 Ancho 3m.

Alto 0.5m. Volumen cuña = (3m * 0.5m * 3m) / 2 = 2.25m3.

Para obtener el dato real de agua a tratar, tenemos que considerar que el tanque no se llenara hasta el tope, pues se propone un espacio libre de 0.25m de la tapa al máximo nivel que alcanzara el agua, lo cual nos dará el siguiente volumen libre.

Profundo 0.25m. Volumen libre = Largo * Ancho * Profundo. Ancho 3m.

Largo 3m. Volumen libre = 3m * 3m * 0.25m = 2.25m3.

Ahora el volumen final de agua a tratar será:

Volumen final = Volumen tanque + Volumen cuña – Volumen libre.

Volumen final = 18m3 + 2.25m3 – 2.25m3 = 18m3.

Con estos datos las dimensiones finales del tanque de tratamiento serian las siguientes:

Figura 11: Tanque de tratamiento.

Una vez definidas las dimensiones del tanque de tratamiento, ahora pasemos al dimensionamiento del tanque de almacenamiento.

Retomando el cálculo de la cantidad de agua gris producida al día, y que el tratamiento se llevara acabo hasta tres veces, necesitamos un tanque de 54 m3 con las siguientes dimensiones propuestas:

Alto 3m. Volumen almacenamiento = Largo * Ancho * Alto.

Ancho 4m.

Largo 5m. Volumen almacenamiento = 5m * 4m * 3m = 60m3.

Figura 12: Tanque de almacenamiento

El excedente esta dispuesto para cubrir de ser necesario, una cantidad mayor de demanda; o en caso contrario de no haber tanta demanda, poder tener suficiente almacenamiento.

Dispersar uniformemente el coagulante en el agua cruda de manera que se evite el subtratamiento o el sobretratamiento.

El tiempo y el grado de mezcla han sido considerados como los factores más importantes del diseño.

Objetivo Específico:

Dar a conocer el costo total del proyecto así como su sustentabilidad en base a la tarifa vigente para la región XIII en el 2007.

Uno de los factores necesarios para el desarrollo de un proyecto es la realización de un estudio económico, el cual nos de a conocer la cantidad a invertir para el desarrollo de este, incluyendo mano de obra, materiales, equipos, etc.

Este estudio también contempla las ganancias y el tiempo de recuperación a la inversión realizada, así mismo dando a conocer algunos de los beneficios de la implementación del mismo.

6.1 Entidades que conforman la Región XIII.

En el siguiente mapa se muestran las entidades correspondientes al Organismo de Cuencas de Aguas del Valle de México (OCAVM), la disponibilidad de agua para su cobro de derechos.

Figura13: Mapa de la Región XIII

6.2 Cuotas de extracción para la región XII del OCAVM.

En la siguiente tabla se encuentra las cuotas por extracción de aguas basadas en el Artículo 223 de la Ley Federal de Derechos, establece que por

la explotación, uso o aprovechamiento de aguas nacionales, se pagará el derecho sobre agua, de conformidad con la zona de disponibilidad de agua en que se efectúe su extracción y de acuerdo con las siguientes cuotas:

Tabla 10: Cuotas de extracción.

6.3 Tarifas 2007 por suministro de agua potable para el Distrito Federal.

La CONAGUA en la primera edición 2007 del Título “Estadísticas del Agua 2007, Región XIII”, Aguas del Valle de México da a conocer las siguientes tarifas vigentes.

Tabla 11: Tarifas por suministro de agua potable.

La siguiente grafica muestra le aumento en las tarifas del Distrito Federal del 2002 al 2007.

In document Semantic based service analysis and optimization (Page 194-199)