Sedimentador de tubo inclinado en forma de panal para purificación de agua de río: estudio de caso de 10 años en Wuhan Petrochemical

Sedimentador de tubo inclinado en forma de panal para purificación de agua de río: estudio de caso de 10 años en Wuhan Petrochemical

Cuando la planta petroquímica de Wuhan aprovechó por primera vez el río Yangtze como fuente de agua cruda, se enfrentó a oscilaciones estacionales extremas de turbidez y al enorme desafío de cumplir con los estándares de agua potable sin una etapa de filtración dedicada. Una década más tarde, su sistema integrado de sedimentación-floculación-de arena que utiliza sedimentadores de tubos inclinados en forma de panal de polietileno ofrece constantemente una turbidez del efluente inferior a 5 NTU. Así es exactamente cómo lo hicieron - y qué significan sus datos operativos para su próximo proyecto de tratamiento de agua.

EL DESAFÍO DEL AGUA CRUDA

La planta petroquímica de Wuhan extrae agua cruda directamente del río Yangtze, donde la turbidez varía dramáticamente entre estaciones. Las inundaciones de verano transportan cargas de sólidos en suspensión extremadamente altas, mientras que los flujos de invierno descienden a una turbidez relativamente baja. El sistema de tratamiento original fue diseñado como unProceso integrado de eliminación de arena, floculación y sedimentación., apuntando a una turbidez del efluente de 20 NTU para uso industrial. Se construyeron dos unidades de tratamiento paralelas, cada una de 30,0 m por 9,8 m con una capacidad de diseño de 2.000 metros cúbicos por hora. Inicialmente, un aparato estaba equipado con placas inclinadas de madera y el otro con tubos alveolares de papel. Fundamentalmente, el sistemano incluye ningún paso de filtración aguas abajo- el sedimentador de tubo inclinado era el único responsable de proporcionar la calidad final del efluente.

PARÁMETROS DE DISEÑO DEL SISTEMA

Comprender la ingeniería detrás de este tanque integrado revela por qué funciona de manera tan confiable. El proceso sigue un camino cuidadosamente secuenciado:Raw Water --> Coagulant Dosing --> Grit Chamber --> Flocculation --> Sedimentation --> Clear Water Tank --> Pressurization -->Red de distribución. Cada etapa está dimensionada para optimizar un mecanismo de tratamiento específico, y los valores de diseño se seleccionaron en base a extensas pruebas piloto con agua del río Yangtze.

Diseño de cámara de arena

El desarenador mide 12,0 m de largo y 3,0 m de ancho, con una profundidad efectiva de 1,5 m. Al caudal de diseño de 2.000 m³/h, esto produce una velocidad de flujo de0.15 m/sy un tiempo de retención de aproximadamente2 minutos. Esta suave velocidad horizontal permite que la arena gruesa y las partículas pesadas se sedimenten mientras transportan los sólidos suspendidos más livianos hacia la etapa de floculación. Las primeras observaciones operativas mostraron que aquí realmente comenzaron a formarse flóculos, lo que luego resultó significativo cuando se evaluó la eliminación de los mezcladores mecánicos.

Sistema de floculación de dos etapas-

El proceso de floculación emplea dos mecanismos distintos en serie. Primero, unfloculador de paletas(11,5 mx 4,0 mx 3,0 m de profundidad) con cuatro etapas de mezclado mecánico proporciona un mezclado inicial rápido con un tiempo de retención de 4-minutos. Originalmente, esto tenía como objetivo crear micro-flóculos mediante una mezcla de alta energía. Luego el agua pasa a uncanal de floculación desconcertado- un camino serpenteante de 82-metros de largo con un ancho de entrada de 0,6 m que se expande gradualmente hasta un ancho de salida de 0,8 m. A una profundidad de agua de 3,0 m, la velocidad de entrada de 0,5 m/s disminuye progresivamente a 0,3 m/s en la salida, lo que permite que los flóculos crezcan mediante un suave corte hidráulico sobre aproximadamente13 minutosdel tiempo de contacto.

ESPECIFICACIONES DEL TANQUE DE SEDIMENTACIÓN Y DEL COLONO DE TUBO INCLINADO

La cuenca de sedimentación opera en modo de flujo ascendente con una superficie de 196 m²(20,0 mx 9,8 m). Las placas inclinadas de madera originales medían 1.200 mm de longitud con una altura vertical de 850 mm, colocadas en una inclinación de 60 grados con una separación entre placas de 40 mm. Los tubos de papel alveolar presentaban unsección transversal-hexagonal con un diámetro de círculo inscrito de 50 mm, longitud del tubo de 800 mm, espesor de pared de 0,4 mm y el mismo ángulo de inclinación de 60 grados, lo que produce una altura vertical de 700 mm. El papel kraft se impregnó con resina fenólica para su integridad estructural.

Bajo estas condiciones de diseño, la velocidad del flujo ascendente a través del sedimentador es2,5 mm/s, con un tiempo total de retención en el tanque de30 minutosy un tiempo de residencia dentro del haz de tubos de apenas7 minutos. Esta profundidad de sedimentación extremadamente baja - de sólo 40-50 mm entre superficies inclinadas - es la clave de la eficiencia del sedimentador. De acuerdo con el principio de sedimentación de poca profundidad-, la distancia de sedimentación se reduce desde la profundidad total del tanque hasta el espacio entre placas, lo que acorta drásticamente el tiempo de captura de partículas y al mismo tiempo mantiene la misma tasa de desbordamiento.

ACTUALIZACIÓN DE MEDIOS: DEL PANAL DE PAPEL AL PLÁSTICO PE

Tanto las placas inclinadas de madera como los tubos alveolares de papel obtuvieron un rendimiento de tratamiento satisfactorio durante el período operativo inicial (posterior a 1980), y los tubos alveolares de papel mostraron un ligero borde. Sin embargo, la experiencia de campo expuso limitaciones materiales críticas que impulsaron la decisión de actualizar:

Placas de maderaEran difíciles de fabricar con tolerancias consistentes y tenían una vida útil corta debido al persistente ciclo húmedo-seco que causaba deformaciones y degradación biológica.Tubos de papel alveolarsufrían de una durabilidad limitada y, lo que es más crítico, la impregnación de resina fenólica los hacíaNo apto para aplicaciones de agua potable.debido a la posible lixiviación de compuestos orgánicos en el agua tratada. Esta fue una cuestión no-negociable una vez que la planta se comprometió a cumplir con los estándares de agua potable.

En 1984, todos los medios de sedimentación fueron reemplazados portubos de plástico alveolar de polietileno (PE). Los nuevos módulos comparten la misma geometría hexagonal y una inclinación de 60 grados, pero cuentan con un diámetro de círculo inscrito más grande de 60 mm, una longitud de tubo de 800 mm y un espesor de pared de 0,5 mm. Los tubos alveolares de PE ofrecen varias ventajas decisivas:

Primero, el material escertificado como no-tóxico y aprobado para el contacto con agua potable, eliminando la preocupación por la contaminación que plagaba los tubos de resina fenólica. En segundo lugar, el PE resiste tanto la degradación biológica como el ataque químico, lo que significasin ciclo de reemplazoy reducir drásticamente los costos del ciclo de vida. En tercer lugar, la superficie lisa e hidrofóbica de PE exhibebaja adherencia del lodo, por lo que los sólidos acumulados se deslizan por su propio peso en lugar de acumularse y estrechar los canales de flujo. Este comportamiento de auto-limpieza mantiene una capacidad hidráulica constante entre los intervalos de mantenimiento. Cuarto, la geometría del tubo hexagonal proporciona unaperímetro mojado más grandeque las placas planas con espaciamiento equivalente, lo que produce un radio hidráulico más bajo y, en consecuencia, números de Reynolds más bajos -, lo que significa condiciones de flujo laminar más estables que mejoran la eficiencia de sedimentación. Un problema operativo que surgió fue elflotabilidad de los módulos de tubos de PEcuando está sumergido; esto se resolvió instalando elementos de anclaje para evitar la flotación.

MEJORA DEL SISTEMA DE DESCARGA DE LODOS

El sistema original de descarga de lodos se basaba enválvulas de mariposa de aleta manual, que resultó ser uno de los dolores de cabeza operativos más persistentes de la planta. Estas válvulas exigían una gran intensidad de mano de obra por parte del operador, presentaban un sellado deficiente que provocaba fugas de agua de aproximadamente10 m³/h por válvula, experimentó frecuentes roturas de bielas y, en general, logró una eliminación de lodos deficiente. En una operación continua de tratamiento de agua las 24 horas del día, los 7 días de la semana, la descarga de lodos poco confiable se traduce directamente en un deterioro de la calidad del efluente a medida que el lodo acumulado comienza a descomponerse, liberar gases y res-suspenderse en la columna de agua.

En junio de 1988, las válvulas manuales fueron reemplazadas porválvulas de compuerta neumáticasen todos los puntos de descarga. El sistema neumático eliminó por completo las fugas de agua al proporcionar una fuerza de sellado positiva, simplificó la operación con una sola acción de control y mejoró drásticamente la efectividad de la descarga de lodos al permitir una evacuación rápida y de alto-volumen antes de que los lodos pudieran compactarse. Modificaciones adicionales incluidasaumentar la altura de la tolva de lodos de 800 mm a 1200 mmpara proporcionar más volumen de almacenamiento e instalar dos válvulas de descarga adicionales en la tubería perforada de recolección de lodos para una evacuación más uniforme de la tolva. Estos cambios ampliaron el ciclo operativo entre limpiezas de tanques llenos de semanas a aproximadamentetres meses.

OPTIMIZACIÓN DE LA DOSIFICACIÓN QUÍMICA

El sistema de dosificación de coagulante experimentó cuatro mejoras interconectadas que en conjunto transformaron la economía y la confiabilidad del tratamiento. Primero, elLa concentración de la solución coagulante se estandarizó a aproximadamente el 5%.(por debajo del rango anterior del 5-10%). Esta concentración más baja y constante aseguró que las tuberías de dosificación permanecieran completamente inundadas en todos los caudales, evitando el bloqueo de aire que había interrumpido intermitentemente la alimentación de coagulante. En segundo lugar, después de extensas pruebas comparativas, la plantacambió de sulfato de aluminio crudo a cloruro de aluminio básico (PAC). El sulfato de aluminio original requirió dosis altas, dio resultados inconsistentes bajo diferentes condiciones de agua cruda y durante los períodos de alta-turbidez del verano los operadores recurrieron al cloruro férrico - que, si bien era efectivo, era tan corrosivo que dañaba tuberías y equipos. El PAC demostró ser superior en todas las estaciones: menores requisitos de dosificación, menor costo de consumo, calidad estable del efluente y un color del agua notablemente mejor tratado.

En tercer lugar, todos los conductos de dosificación estabanreemplazado por tubos de plástico, eliminando los problemas de corrosión de materiales-mixtos que habían afectado la instalación original de tuberías de plástico, hierro fundido y acero. Cuarto, y quizás lo más revelador, elLos mezcladores mecánicos-de cuatro etapas se retiraron por completo del tanque de floculación.. Los operadores observaron que los flóculos ya formados en la cámara de arena estaban siendo desmenuzados por los agitadores mecánicos de alto cizallamiento, deshaciendo la coagulación que debían promover. Después de retirar los mezcladores, los flóculos crecieron de manera progresiva y estable en el canal de floculación con deflectores solo mediante un suave corte hidráulico, lo que mejoró significativamente la eficiencia de la coagulación y al mismo tiempo redujo el consumo de energía.

RESULTADOS DEL TRATAMIENTO: DATOS DE RENDIMIENTO

Después de implementar todo el conjunto de mejoras, el sistema de tratamiento logró resultados que superaron su especificación de diseño de grado industrial-original. Al caudal de diseño de 2.000 m³/h, la turbidez del efluente se ha mantenidoconstantemente por debajo de 5 NTU desde 1984, cumpliendo con el estándar nacional de agua potable de China (GB 5749-85). Cuando se empuja a condiciones de sobrecarga de 3.000 m³/h (50% por encima del diseño), el sistema aún mantiene la turbidez del efluente por debajo de 15 NTU. La turbidez del agua cruda fluctúa estacionalmente, pero la turbidez del agua tratada permanece dentro del rango del agua potable independientemente.

El análisis de la calidad del agua confirma la capacidad del sistema para producir agua potable a partir de aguas superficiales:

Los beneficios económicos del cambio de coagulante son igualmente sorprendentes. En una comparación lado a lado durante junio de 1988, con una producción de agua de aproximadamente 170.000 toneladas por mes, la dosis de PAC era apenas11,4 mg/Len comparación con25,6 mg/Lpara sulfato de aluminio - aReducción del 55,5% en el consumo de químicos. El consumo mensual de coagulante disminuyó de 4,5 toneladas a 2,1 toneladas:

Nota: La producción mensual de agua fue de aproximadamente 170.000 toneladas. El consumo de energía también disminuyó notablemente tras la eliminación de los mezcladores mecánicos, aunque en el estudio de caso publicado no se cuantificaron cifras exactas.

DESAFÍOS RESTANTES Y ACTUALIZACIONES PLANIFICADAS

El equipo de la planta de Wuhan identificó tres áreas para seguir mejorando que son igualmente relevantes para cualquiera que opere hoy en día sedimentadores de tubo inclinado. Primero,monitoreo manual de turbidezcreó un retraso en la respuesta entre la detección de cambios en la calidad del agua y el ajuste de la dosis de coagulante. La solución que se estaba considerando era un sistema de control de dosificación automático que utilizaba medidores de turbidez en línea para proporcionar información en tiempo real-para el ajuste de la tasa de alimentación del coagulante. Esto representa el siguiente paso lógico para cualquier planta que ya haya optimizado sus subsistemas mecánicos y químicos.

Segundo,Crecimiento de algas en las superficies expuestas de los tubos alveolares.redujo progresivamente el área de sección transversal-efectiva de los canales de flujo. La penetración de la luz solar en la cuenca de sedimentación promovió la colonización de biopelículas y algas, lo que no sólo restringió el flujo sino que finalmente obstruyó los tubos por completo. La solución propuesta fue la pre-cloración del agua cruda aguas arriba del sedimentador para controlar el crecimiento biológico antes de que pudiera establecerse en las superficies de los tubos. En tercer lugar, a pesar de las mejoras en la descarga de lodos,Tolvas que aún acumulan lodos compactadosque no se podían eliminar durante los ciclos normales de descarga, lo que requería el cierre completo del tanque y una limpieza manual cada tres meses. La respuesta de ingeniería fue instalar boquillas rociadoras internas que usarían agua presurizada para el lavado durante el ciclo de descarga de lodos, eliminando la necesidad de paradas periódicas.

LECCIONES CLAVE PARA EL DISEÑO DE COLONOS DE TUBO INCLINADO

La década de datos operativos de Wuhan se resume en cuatro principios que deberían guiar cualquier proyecto de sedimentador de tubos inclinados:

1. Trabajos de diseño integrado.El concepto de tanque (integrado) de sedimentación-floculación-de arena, cuando se dimensiona adecuadamente, puede producir de manera confiable agua potable de calidad a partir de agua superficial sin un paso de filtración aguas abajo. La clave es conseguir los parámetros hidráulicos correctos de cada etapa: velocidad del flujo en la cámara de arena (0,15 m/s), tiempo de retención en la floculación (17 minutos en total) y velocidad del flujo ascendente en el sedimentador (2,5 mm/s). Desviarse de estos valores compromete toda la cadena de tratamiento.

2. La selección de materiales tiene consecuencias en cascada.Los tubos alveolares de plástico PE ofrecen la mejor combinación de rendimiento de tratamiento, durabilidad, seguridad del agua potable y simplicidad de mantenimiento en comparación con las placas de madera o los tubos de papel-impregnados con resina. El perímetro húmedo más grande, la superficie auto-limpiable y la vida útil indefinida justifican con creces la inversión inicial gracias a un mantenimiento reducido y un rendimiento constante del tratamiento.

3. La confiabilidad de la descarga de lodos determina la consistencia del efluente.Un sistema de descarga de lodos confiable y fácil-de-operar no es opcional - sino que es el subsistema mecánico más importante para mantener un rendimiento de sedimentación constante. Las válvulas manuales provocan fatiga del operador y una eliminación inconsistente de lodos, lo que se traduce directamente en una calidad variable del efluente. La descarga neumática o automatizada debe considerarse estándar, no opcional, para cualquier sedimentador de operación-continua.

4. La optimización del coagulante ofrece la recuperación más rápida.El cambio del sulfato de aluminio al PAC produjo una reducción del 55% en el costo de los productos químicos como beneficio inmediato. Los efectos posteriores - menos producción de lodos, mejor color del agua, rendimiento más consistente a través de las variaciones estacionales de turbidez - multiplican el retorno económico. Combinar el PAC con una infraestructura de dosificación diseñada adecuadamente (tuberías de plástico, concentración constante, tuberías de flujo total) garantiza que esos beneficios se obtengan de forma continua.

NUESTRAS SOLUCIONES DE COLOCADORES DE TUBO INCLINADO EN PANAL

Basándonos en décadas de experiencia en ingeniería de tratamiento de agua, ofrecemos una gama completa de productos y servicios de sedimentadores de tubos inclinados en forma de panal adaptados a sus objetivos de tratamiento y calidad del agua cruda:

NuestroMedios de tubo de nido de abeja hexagonales de PE y PVCestán disponibles en diámetros de celda de 25 mm, 35 mm, 50 mm, 60 mm y 80 mm, lo que le permite seleccionar la superficie de sedimentación óptima y la carga hidráulica para su rango específico de turbidez del agua cruda. Para aplicaciones de tratamiento de aguas superficiales orientadas a la calidad del agua potable, el rango de diámetro de 50 a 60 mm (que coincide con la especificación de Wuhan) proporciona el mejor equilibrio entre eficiencia de sedimentación y resistencia a la obstrucción.

SuministramosDiseño y fabricación de colonos integrados.para tratamiento de aguas superficiales, clarificación de aguas residuales industriales y acondicionamiento de aguas de proceso. NuestroSistemas completos de recogida y descarga de lodos.incluyen válvulas de compuerta neumáticas y controladores de descarga temporizados automáticos que eliminan los problemas de válvulas manuales documentados en Wuhan. Para plantas existentes, ofrecemosservicios de modernización y actualizaciónque cubre el reemplazo de medios, la modernización del sistema de lodos, el apoyo a la selección de coagulantes, la optimización del sistema de dosificación y la resolución de problemas operativos.

Referencia: Sedimentador de tubo inclinado en forma de panal Tang TQ para purificación de agua de río [J]. Refinación de petróleo, 1989(4): 1-6.