FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y TECNOLOGAS APLICADASESCUELA DE
MECATRNICA
ALUMNOS: Ivette Alvarez Andrs ArteagaCarlos EncaladaCsar
MayacelaAlejandro MenesesCarla MolinaCsar NaranjoDaniel
PeraltaJorge RazaPedro RomnMaya Suntaxi
ASIGNATURA: Sistemas de Control Industrial
FECHA: 09-06-2015
DOCENTE: Ing. Sandra Espinel
TEMA DEL PROYECTODiseo y construccin de una planta de
tratamiento de aguas residuales controlada mediante un PLC.
1. OBJETIVOS1.1 Objetivo generalDisear y construir una planta de
tratamiento de aguas residuales controlada de forma automtica1.2
Objetivos especficos Disear e implementar un sistema de control de
flujo y nivel de agua. Dimensionar los elementos mecnicos y
electrnicos del sistema. Disear los planos mecnicos, electrnicos y
diagramas de bloques de la planta de tratamiento.
2. ALCANCEEl presente proyecto contempla todas las instalaciones
necesarias para tratar aguas residuales de forma automtica.Los
tratamientos a los que se debe someter el agua ingresada al
sistema, deben garantizar la eliminacin o recuperacin del compuesto
orgnico en el grado requerido por la legislacin que regula la
caracterizacin de aguas residuales.El sistema ser controlado
mediante un PLC Siemens 1212C, por lo cual el alcance del proyecto
es institucional; podr ser utilizado por estudiantes de la carrera
de Ingeniera Mecatrnica de la Universidad Internacional del
Ecuador.
3. MARCO TERICO3.1 EL AGUA RESIDUALDefinicinLas aguas residuales
son cualquier tipo de agua cuya calidad se vio negativamente
afectada por influencia de actividades realizadas por el ser
humano, ya sea en uso domstico, industrial, comercial, de
servicios, agrcolas, pecuarios, entre otros.Debido a la naturaleza
de las aguas residuales, al momento de su descarga no pueden ser
reutilizadas en los procesos que las generaron, y al ser vertidas
en cualquier lugar sin un tratamiento previo, pueden llegar a
afectar negativamente los ecosistemas terrestres y acuticos, y en
el peor de los casos, la salud humana.
Tipos de agua residualLas aguas residuales se clasifican segn su
origen como: aguas domsticas, aguas residuales industriales y aguas
residuales municipales. La figura 1 muestra las caractersticas
fundamentales de cada tipo de agua residual.
Figura 1. Clasificacin de las aguas residualesFuente: A.
Valencia, Diseo de un sistema de tratamiento para las aguas
residuales de la cabecera parroquial de San Luis, Chimborazo,
Riobamba, Ecuador, ESPOCH, 2013
3.2 TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL.Operaciones utilizadas para el
presente proyecto Desbaste/Cribado. El objetivo es eliminar slidos
de gran tamao y evitar que daen equipos de etapas posteriores.
Sedimentacin/Decantacin: Aprovecha la fuerza de la gravedad de las
partculas ms densas en el agua haciendo que tengan una trayectoria
descendente y depositndolas en el fondo de un tanque sedimentador.
Filtracin. Etapa en la cual se hace pasar el agua a travs de un
medio poroso con el objetivo de retener la mayor cantidad posible
de materia en suspensin. Secado (Lecho de secado). Los lechos de
secado son sistemas sencillos y de bajo costo que permiten la
deshidratacin de los lodos digeridos. Estos dispositivos eliminan
el agua presente en los lodos a manera de evaporacin, quedando como
residuo un material slido con un contenido de humedad inferior al
70%. El lodo seco se retira del lecho y se puede utilizad como
acondicionador de suelos.
3.3 PARMETROS DE DISEO DEL SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUAS
RESIDUALES3.3.1 Pretratamiento Se realiza por medio de procesos
fsicos o mecnicos dispuestos convencionalmente de modo que permitan
la retencin y remocin de materiales extraos presentes en el agua a
tratar, y evitan interferir con procesos de tratamiento
posteriores.Canal de llegadaEs una estructura abierta a la atmsfera
destinada al transporte de fluidos. Est formado por diferentes
dispositivos como: vertederos, compuertas, sifones, canaletas,
entre otros, que permiten el control del caudal y nivel de agua que
se est transportando. Los canales pueden ser naturales (arroyos,
ros, etc.) o artificiales (construidos sobre el suelo mediante
esfuerzo humano).Diseo del canal artificial de llegadaEl canal se
define en trminos de la profundidad de flujo y dimensiones de la
seccin. Se utilizar un diseo rectangular, para el cual se debe
considerar el tipo de material, coeficiente de rugosidad, velocidad
mxima y mnima permitida, pendiente del canal, entre otros.La figura
2 muestra la seccin rectangular que se desea disear.
Figura 2. Elementos geomtricos de un canalFuente: Norma
ecuatoriana INENLos parmetros de diseo son los que se enuncian a
continuacin.Altura (h). Indica la altura del agua en el canal y se
calcula con la ecuacin 1.
Donde: k representa el coeficiente de Manning (valor
adimensional). b es el ancho del canalCoeficiente de Manning (k).
Permite verificar la velocidad que debe manejarse en el canal. Se
calcula por medio de la ecuacin 2.
Donde: es el caudal medio diario () n es el coeficiente de
rugosidad de Manning (adimensional) b es el ancho del canal (m) s
es la pendiente del canalCoeficiente de rugosidad (n). El valor
depende del material. Se considerar el material en el
diseo.Pendiente (s). El clculo de la pendiente se puede realizar
con una frmula geomtrica conocida o se asumir un valor considerando
las modificaciones que puede sufrir el ambiente donde se realizar
el canal.Radio Hidrulico (R). Est expresado en funcin del ancho y
la altura del canal, de acuerdo a la ecuacin 3.
Velocidad (V). Se determina por medio de la frmula de Manning
(ecuacin 4).
3.3.2 CRIBADOProceso en el cual se separan materiales gruesos
presentes en el agua mediante el paso de la misma a travs de una
criba o rejilla.Clasificacin de las rejillasLa figura 3 muestra la
clasificacin de rejillas para el proceso de cribado.
Figura 3. Clasificacin de las rejillasFuente: A. Valencia, Diseo
de un sistema de tratamiento para las aguas residuales de la
cabecera parroquial de San Luis, Chimborazo, Riobamba, Ecuador,
ESPOCH, 2013Criterios de diseo de rejillas de limpieza
manualUbicacin de las rejillas. El emparrillado de las rejillas
debe estar inclinado con respecto al piso del canal donde se
instalan. El canal, de preferencia deber ser horizontal, recto y
perpendicular a la rejilla, para promover una distribucin uniforme
de los slidos que sean retenidos.rea libre al paso de agua (Al).
Indica el flujo presente en el canal. Se recomienda que este flujo
tenga una velocidad no menor a 0.5m/s ya que as se procura detener
los materiales ms grandes permitiendo el paso de partculas pequeas
a travs de las barras. El rea libre al paso de agua se calcula por
medio de la ecuacin 5.
Donde: Q representa el caudal de diseo es la velocidad mnima a
travs de las barras
Tirante de agua en el canal (h). Indica la altura del agua
dentro del canal. Se calcula de acuerdo con la ecuacin 6.
Donde: b es el ancho del canal de llegada (m)Altura total del
canal (H). Es la sumatoria de la altura de agua en el canal y una
altura de seguridad que generalmente es un valor propuesto. Se
calcula mediante la ecuacin 7.
Donde: hs es la altura de seguridad (m).Longitud de las barras
(Lb). La longitud no debe tener un valor tan alto como para generar
inconvenientes de limpieza por parte del operador. Se calcula segn
la ecuacin 8.
Donde: es el ngulo de inclinacin de las rejillas con respecto a
la horizontal del canal. Se recomienda un ngulo de inclinacin de
las barras entre 44 y 60 con respecto a la horizontal.Nmero de
barras (n). El nmero de barras es un valor que se pone a
consideracin del diseador, sin embargo por factores relacionados
con el mantenimiento, es recomendable instalar de 2 a ms barras. De
manera adicional, el nmero de barras se puede calcular mediante la
ecuacin 9.
Donde: e representa la separacin entre barras (m) S es el
espesor mximo de las barras (m)Se recomienda valores que oscilen
entre 25mm y 50mm para el espacio entre barras.
3.3.3 SEDIMENTACINProceso mediante el cual los slidos en
suspensin dentro de un volumen de fluido se separan del mismo por
accin de la gravedad.Generalmente el agua en movimiento arrastra
partculas granulares de carcter liviano, mantenindolos suspendidos.
La remocin de estas partculas se logra disminuyendo la velocidad
del fluido de manera que las partculas suspendidas se depositen en
un determinado tiempo de retencin. Este fenmeno se produce en los
decantadores.El decantador es un tanque de seccin rectangular o
circular, cuyo fondo muchas veces est inclinado hacia uno o ms
puntos de descarga. Este tanque posee dispositivos de entrada y
salida de agua, previstos para evitar zonas muertas y obtener una
mejor distribucin del lquido en el interior de la
unidad.Clasificacin de los tanques de sedimentacinLa figura 4
muestra las maneras de clasificar los tanques de sedimentacin.
Figura 4. Clasificacin de los tanques de sedimentacinFuente: A.
Valencia, Diseo de un sistema de tratamiento para las aguas
residuales de la cabecera parroquial de San Luis, Chimborazo,
Riobamba, Ecuador, ESPOCH, 2013Criterios de diseo del tanque de
sedimentacinSe disear un sedimentador convencional, el cual
corresponde a un sedimentador de flujo horizontal. Este modelo se
basa en la creacin de un tanque en donde la sedimentacin se realiza
en la misma manera que en un recipiente de igual profundidad que
contiene un lquido que est en reposo. El tanque, mostrado en la
figura 5, consta de 4 etapas: entrada, sedimentacin, retencin de
partculas sedimentadas y salida.
Figura 5. Sedimentador convencionalFuente: A. Valencia, Diseo de
un sistema de tratamiento para las aguas residuales de la cabecera
parroquial de San Luis, Chimborazo, Riobamba, Ecuador, ESPOCH,
2013Zona de entrada. Permite una distribucin uniforme de partculas
a lo largo de toda la altura del sedimentador. Para la zona de
entrada se disear una pantalla difusora, la misma que deber ser
ubicada entre 0.7m y 1m de distancia de la pared de entrada, y
mnimo 0.8m de distancia de la pared inferior del sedimentador para
poder realizar la limpieza. La pantalla difusora estar formada por
orificios. Los orificios ms altos de la pared difusora deben estar
a 1/5 a 1/6 de altura a partir de la superficie de agua y los ms
bajos entre a 1/5 de altura a partir de la superficie del fondo.La
velocidad en los orificios no deber ser mayor a 0.15m/s para no
provocar turbulencias en la zona de sedimentacin. Adicionalmente se
deben aboquillar los orificios en un ngulo de 15 en el sentido del
flujo como se muestra en la figura 6.
Figura 6. Detalle de orificiosFuente: A. Valencia, Diseo de un
sistema de tratamiento para las aguas residuales de la cabecera
parroquial de San Luis, Chimborazo, Riobamba, Ecuador, ESPOCH,
2013El rea total de los orificios se calcula mediante la ecuacin
10.
Donde: Q es el caudal de diseo Vo representa la velocidad de
paso entre orificios (m/s)Adems, se asume un valor para el dimetro
del orificio y se calcula su rea con la ecuacin 11.
Finalmente, el nmero de orificios se determina mediante la
divisin de reas, de acuerdo a la ecuacin 12.
Zona de sedimentacin. Se da dentro de un canal rectangular con
volumen, longitud y condiciones de flujo adecuados para la
sedimentacin de partculas. En la zona de sedimentacin la direccin
del flujo es horizontal, y su velocidad es la misma en todos los
puntos de la zona. Generalmente los sedimentadores deben disearse
para una mnima temperatura esperada del agua y para un tamao mnimo
de partculas, sin embargo, a fin de simplificar la investigacin se
considerar nicamente el perodo de retencin hidrulico (PRH), el cual
se define como el tiempo que se demora en llegar la partcula de
diseo a la zona de lodos. Se calcula mediante la ecuacin 13.
Donde: Vol es el volumen de la zona de sedimentacin Q es el
caudal de diseo Zona de retencin de partculas sedimentadas. Los
lodos sedimentados son recolectados dentro de una tolva que posee
una tubera y vlvula para la evacuacin peridica de los mismos. Todas
las partculas que entran en la zona de lodos quedan atrapadas
considerndose como removidas.Las partculas presentes en el agua a
tratar se sedimentan en el primer tercio de la longitud del
sedimentador entre el 60 y 90% aproximadamente; segn este dato, la
longitud de la tolva de lodos debe tener la siguiente forma: En la
zona de entrada del sedimentador la pendiente de la tolva debe
estar entre el 5 y 10%, y en la zona de salida del sedimentador la
pendiente de la tolva debe estar entre el 2.5 y 5%. El drenaje de
los lodos obtenidos en la tolva se efectuar por medio de una tubera
de dimetro 12.Zona de salida. Se da por medio de canaletas,
vertederos o tubos perforados que recolectan el agua tratada sin
perturbar la sedimentacin de las partculas depositadas en la
tolva.Para el diseo de un vertedero de salida, la longitud de la
cresta del vertedero ser igual al ancho del sedimentador, y el
valor de la altura de agua sobre la cresta del vertedero se obtendr
por medio de la ecuacin 14.
Donde: b es el ancho del sedimentador
3.3.4 FILTRACINLa filtracin se define como la velocidad de paso
de agua a travs de un medio filtrante o manto poroso, que se mide
como la carga superficial en y se expresa mediante la ecuacin
15.
Donde: As es el rea superficial del filtro Q es el caudal de
agua que entrega el filtro El objetivo de la filtracin es el de
separar del agua que est siendo tratada las partculas y
microorganismos objetables que no han sido retenidos en los
procesos de tratamiento anteriores, por lo que los filtros dependen
en su mayora de dichos procesos.Fenmenos que se producen durante la
filtracin: La accin mecnica de filtrar. La sedimentacin de
partculas sobre el medio filtrante. La formacin de una pelcula
gelatinosa en el medio filtrante y que es producida por los
microorganismos.Clasificacin de los filtros. La filtracin puede
realizarse de varias maneras: con baja o alta carga superficial, y
en medios porosos o granulares. Pueden ser a presin o por
gravedad.
Figura 7. Clasificacin de los Filtros.Fuente: A. Valencia, Diseo
de un sistema de tratamiento para las aguas residuales de la
cabecera parroquial de San Luis, Chimborazo, Riobamba, Ecuador,
ESPOCH, 2013Filtros biolgicos. Permiten la remocin de materia
orgnica a travs de un medio poroso granular. ste al recibir agua
con suficiente carga orgnica disuelta, tiende a formar una pelcula
biolgica alrededor de los granos del medio poroso.La filtracin
biolgica puede realizarse de dos maneras distintas: con filtracin
rpida o filtracin lenta. Filtros lentos de arena. Consiste en un
lecho formado por material granular con granos de tamaos
relativamente uniforme drenados adecuadamente en el fondo del
filtro. Es un tanque que contiene una capa sobrenadante de agua
residual, una capa filtrante de arena, drenajes y un juego de
dispositivos de regulacin y control. Se recomienda el uso de este
tipo de filtros para aguas residuales con una carga superficial
menos a 12 .Se presenta a continuacin las ventajas y desventajas al
usar Filtros Lentos de Arena.VENTAJASDESVENTAJAS
Es muy sencillo y confiable de operar con los recursos
disponibles del medio rural ya que no necesita control de
velocidad: el control de flujo se lo realiza mediante
vertederos,
El agua tratada no presenta cambios organolpticos.
El precio de la arena es bajo.Necesita de un pretratamiento ya
que no debe de operar con aguas con turbiedades que sobrepasen los
10 UNT.
La eficiencia de esta unidad se reduce con la temperatura
baja.
Figura 8. Filtro Lento de Arena.Fuente: A. Valencia, Diseo de un
sistema de tratamiento para las aguas residuales de la cabecera
parroquial de San Luis, Chimborazo, Riobamba, Ecuador, ESPOCH,
2013
Diseo de un filtro lento biolgico de arenaGeometra del lecho
filtrante: consiste en un filtro biolgico de flujo descendente
conforma rectangular a manera d caja, que contiene 0,40 a 0,45 m de
espesor de grava gruesa en el fondo con un sistema de drenes
apropiados para el lecho, y sobre ella 0,90 a 1,20 m de espesor de
arena fina.Encima del lecho filtrante est ubicada una capa de agua
residual a trata de alrededor de 1,00 a 1,50 m de espesor.La capa
de grava sirve como soporte a la capa de arena durante la operacin
de filtracin evitando que ste escape por el sistema de drenaje y
permite una distribucin uniforme del agua a tratar.La capa de arena
est constituida por un lecho de 0,90 a 1,20 m de granos finos de
0,15 a 0,30 mm de tamao efectivo, y de 1,5 a 2,5 de coeficiente de
uniformidad. El lecho de arena ms fino preferiblemente debe ser de
1,59 a 2,12 mm siendo colocada sobre la grava mediante capas.rea
superficial (as): est condicionada por el caudal del agua a tratar,
la velocidad de filtracin y el nmero de filtros. Se deben de disear
por lo menos dos unidades en paralelo con un rea mxima de 100 para
facilitar su limpieza.
Donde: Q = caudal del agua que entra en el filtro (). H = nmero
de unidades (adimensionales). Vf = velocidad de
filtracin.Coeficiente de mnimo costo (k): la relacin de mnimo costo
es un parmetro que depende del nmero de unidades de filtracin.
Ancho (b) y Longitud del filtro (L):
Velocidad de filtracin real (): la velocidad de filtracin real
para filtros lentos debe variar entre los 0,10 y 0,12 m/h,
dependiendo de la calidad del agua residual a tratar.
Sistema de entrada y llenado del filtro: el afluente debe entrar
al filtro con una velocidad baja: 0,3 m/s aproximadamente para no
escarificar el lecho.Sistema de drenaje y salida del agua filtrada:
pueden ser de tres tipos:a. Ladrillos tendidos, dejando un espacio
de 1 cm entre ladrillos.b. Bloques de concreto poroso en forma de
puente. El flujo tambin drena hacia un colector central.c. Tuberas
de drenaje perforadas. El flujo desemboca en forma de espina de
pescado hacia un colector central.La tubera debe tener un sistema
de ventilacin para evitar bolsas de aire en el codo de la misma y
en los drenes.Control de la carga superficial: la velocidad de
flujo del agua presente en el filtro suele ser constante por lo que
es regulada mediante orificios, verteros u otros, ya sea a la
entrada o salida del lecho filtrante. La carga del filtro debe
variar entre 2 y 14 * d.Vaciado y limpieza del filtro: para vaciar
el filtro se debe cerrar el ingreso del agua residual dejando que
el agua presente en mismo se filtre por completo hasta el nivel del
agua est al ras con la superficie del lecho. Para ellos se disea
una tubera de drenaje sobre la superficie del miso, esta permite
que cuando el filtro se encuentre demasiado colmatado y el descenso
del agua sea muy lento en especial en la ltima parte, se puede
abrir la tubera para extraer le volumen final que no puede
filtrarse, y para ayudar a secar el medio filtrante antes del
raspado.La limpieza se realiza raspando de 1 a 2 cm de la
superficie del lecho, se extrae y se almacena en un lugar cubierto
hasta alcanzar un volumen mayor: la arena extrada se la puede lavar
y volver a poner en el filtro.
4. DIAGRAMA DE BLOQUESA continuacin se presenta las principales
etapas para el tratamiento de aguas.
En el diagrama de bloques que se presenta a continuacin se puede
observar las diferentes etapas y subetapas por las cuales pasar el
agua en la planta de tratamiento.
5. CRONOGRAMANo.ActividadesEncargadosRecursosDuracin
1InvestigacinEncalada-1,5 meses
1,1Planteamiento Problema y ObjetivosAlvarez-8 horas
1,2Agua ResidualArteaga-8 horas
1,3Tratamiento de AguaPeralta-8 horas
1,4Parmetros de DiseoMayacela-8 horas
1,5Filtrado de AguaMeneses-8 horas
2PresupuestosGrupalTransporte 5 horas
3DesarrolloEncalada-3,5 meses
3,1MecnicoMayacela-2 meses
3,1,1Diseo planta de tratamientoEncalada-32 horas
3,1,2Dimensionamiento BombasMolinaCatlogos Bombas8 horas
3,1,3Planos de Piezas y ConjuntoNaranjoSoftware8 horas
3,1,4Construccin PeraltaDinero48 horas
3,2Control ElectrnicoRaza-1 mes
3,2,1Diseo del Sistema FuerzaRomn-16 horas
3,2,2Diseo del Sistema de ControlSuntaxi-16 horas
3,2,3Planos de los Sistemas de Fuerza y ControlAlvarezSoftware16
horas
3,2,4Implentacion de Circuitos ArteagaSoftware16 horas
3,3ProgramacinSuntaxi-1 mes
3,3,1Esquema LadderMayacelaSoftware16 horas
3,3,2Programacion y comunicacin PLCMenesesSoftware y Drivers24
horas
3,4EnsambleEncalada-0,5 mes
3,5Pruebas y CorreccionesPeraltaInstrumentos de medida0,5
mes
