Aplicación de un modelo numérico tridimensional para la simulación del comportamiento hidráulico de un floculador de flujo horizontal

Abstract

El presente trabajo de investigación se centra en las formas de mejorar la hidrodinámica interna de las unidades de floculación de flujo horizontal. Esto se logró mediante el uso de la dinámica de fluidos computacional (CFD), específicamente con el modelo FLOW-3D. El proceso de simulación fue dividido en 2 fases: optimización de las dimensiones del floculador y optimización de la zona de ingreso al floculador (simulación mezcla rápida-floculador). Para el diseño de las unidades se consideró un caudal de 30 l/s y pantallas de PVC de 2.0 m de longitud. La primera fase de optimización se subdivide a su vez en 2 etapas: optimización del espaciamiento entre el extremo de la pantalla y la pared del floculador, en donde se evaluó el comportamiento de la unidad para diferentes relaciones ancho de vuelta/ancho de canal; para corroborar los resultados obtenidos se realizaron 2 nuevas series de simulaciones con longitudes de pantalla de 1.5 m y 3.0 m obteniéndose como relación óptima el valor de 1.0, esta relación difiere del valor 1.5 recomendado por el Manual de tratamiento de agua para consumo humano, Plantas de filtración rápida, Manual II: Diseño de plantas de tecnología apropiada. La segunda etapa trata sobre la optimización de la altura de agua del floculador, etapa en la cual se realizó el diseño de la unidad para diferentes valores de altura de agua con el fin de encontrar el valor que mejor se aproximara a los gradientes de diseño; en esta etapa se eligió como altura óptima final el valor de 0.5 m, con dicha altura se consiguió un aumento del flujo de pistón (reducción del índice de Morrill), una mejor aproximación al gradiente de diseño para el tramo final (lo cual optimizará la formación de flóculos) y una reducción del área total de la unidad de floculación. En la segunda fase de optimización se evaluaron 2 escenarios: flujo de ingreso perpendicular a los canales del floculador, en el cual se consideraron 2 alternativas (con y sin pantalla inicial), en este primer escenario se analizó el comportamiento de la apertura de ingreso al floculador para diferentes relaciones ancho de entrada/ancho de mezcla rápida. Finalmente se concluyó que con la relación de 1.0 se reducían las zonas muertas y de recirculación las cuales se forman a la entrada del floculador; además de ello la segunda alternativa (sin pantalla inicial) fue la que mejores resultados proporcionó al reducir los altos gradientes de velocidad generados en el canal inicial. El segundo escenario, con flujo de ingreso paralelo a los canales del floculador, resultó ser el menos favorable por presentarse en el canal inicial grandes zonas de recirculación y altos gradientes de velocidad. En esta segunda fase se realizó además un breve análisis para el caso de un floculador hidráulico de flujo vertical (para el diseño de las unidades se asumió un caudal de 60 l/s). Al igual que en el análisis anterior se consideraron 2 escenarios para la ubicación de la mezcla rápida: paralela y perpendicular a los canales del floculador. En conclusión se obtuvo que el gradiente de velocidad promedio (en el primer canal) para la segunda alternativa (mezcla rápida perpendicular a los canales del floculador) fue aproximadamente la mitad del valor del primer escenario, demostrándose así que la segunda alternativa es la mejor opción de diseño para la ubicación de la mezcla rápida. Para evaluar la eficiencia de la unidad, en las fases de optimización, se empleó el índice de dispersión Morrill calculado a partir de la curva de distribución de tiempos de residencia que se obtuvo simulando la aplicación de un trazador por dosificación continua. En la última etapa del trabajo de investigación se realizó el diseño final del floculador hidráulico de flujo horizontal teniendo en consideración los parámetros óptimos de diseño encontrados anteriormente.