SECTOR TECNOLÓGICO

Este sistema se encuadra dentro del área de ingeniería hidráulica y para tratamiento de aguas.

ANTECEDENTES

En el mundo existen diversos sistemas para la separación de líquidos y sólidos en el tratamiento de aguas para consumo humano, aguas residuales, separaciones de líquidos y sólidos para usos industriales y agroindustriales. Dentro de los procedimientos existentes podemos citar las rejas y los filtros, los desarenadores (pequeños tanques que separan por gravedad los sólidos grandes como la arena y la graba), los decantadores o sedimentadores volumétricos convencionales (grandes tanques que separan por gravedad los sólidos gruesos e intermedios), los decantadores o sedimentadores de placas inclinadas (medianos y grandes tanques que separan por gravedad los sólidos gruesos o intermedios magnificando su eficiencia intercalando bajo el agua series de placas inclinadas), los decantadores o sedimentador de tubos (medianos y grandes tanques que separan por gravedad los sólidos gruesos o intermedios, magnificando su eficiencia mediante sistemas de tuberías inclinadas que atrapan el sedimento), el sedimentador de manto de lodos o de contacto con mantos de lodos, el clarificador de Lamella o placas inclinadas mecanizados, los ciclones (sistemas que utilizan la aceleración centrífuga del fluido para la separación de sólidos gruesos como arena y grava), separadores de sólidos por flotación forzada (sistema que utiliza un gas, habitualmente aire para separar los sólidos por flotación y que también se utilizan químicos adicionados al fluido para inducir la flotabilidad), e incluso los separadores de sólidos por flotación (Sistema que utiliza la diferencia de densidad de los sólidos con respecto a la densidad del fluido para su separación por flotación) i Existen infinidad de modelos comerciales de estos distintos tipos de principios de separación sólido-líquido. Es de nuestro interés mostrar que el principio que pretendemos patentar, es inédito y no es ninguno de los métodos habituales de separación líquido-sólido.

El sistema propuesto resuelve los retos del estado del arte por cuanto el sistema es mucho más eficiente y hasta más fácil de limpiar que los sistemas tradicionales. Es un sistema que puede ser transportable. El sistema de separación sólido-líquido que proponemos es de alta eficiencia, pues difiere del estado del arte en cuanto es más eficiente, necesita una menor área para su implementación y represente un costo significativamente menor de: construcción, mantenimiento y operación que los sistemas tradicionales. Técnicamente este sistema puede utilizarse para cualquier fluido que se desee separar de los sólidos que contiene o de las sustancias disueltas o coloidales que sean propensas a coagular y flocular, contrario a los que se encuentran en el Estado del arte, que en la mayoría se fijan en separación de agua solamente. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La intención de este invento es poder disminuir drásticamente la turbidez al agua para consumo humano y ofrecer a los pequeños y grandes acueductos una opción mucho menos costosa en todo sentido que las opciones tradicionales. El costo de un sistema en contra de la mayoría de los sistemas tradicionales es de un 40% a un 70% más económico. Además de ser más fácil de implementar y mantener.

Esta tecnología cubre un importante vacío en materia de tratamiento de agua y tecnología apropiada, de especial relevancia para los acueductos urbanos y rurales de Costa Rica y a nivel mundial. Este sistema ofrecerá una importante opción en la recuperación de sólidos valiosos en la industria minera.

El sistema propuesto es un sistema de separación sólido-liquido utilizable para cualquier fluido que se desee separar de los sólidos que contiene o de las sustancias disueltas o coloidales que sean propensas a coagular y flocular.

Su característica principal es que pequeños módulos transfieren las partículas o sedimentos de una zona de alta velocidad del fluido a otra de velocidad nula o casi nula.

Estos módulos están dentro de contenedores de distintos tipos y medidas y se pueden adaptar a tanques existentes, tubos, canales, etc. Permitiendo una versatilidad muy grande que permite bajar los costos y ofrecer soluciones a medida.

La presente invención consiste en un sistema de separación de líquido y sólido con efecto hidráulico, donde por medio de estructuras cilindricas o angulares modulares se capta el fluido que contiene y arrastra sedimentos, floculos o partículas, forzados por el corte del tubo separador a formar micro vórtices y micro semivórtices, que atrapa las partículas por fuerza centrífuga y centrípeta. El movimiento se hace realizando la separación de estos cuerpos del flujo principal de fluido, para luego pasar por gravedad al interior y exterior del tubo, donde la velocidad lateral del fluido es nula provocando que las partículas sigan descendiendo y salgan del tubo a la zona de deposición, provocando la separación de líquidos y sólidos.

El método y sistema de funcionamiento permiten mayor eficiencia en la separación de fluidos y sólidos. En el sistema, el fluido que contiene y arrastra los sedimentos, floculos o partículas es forzado por el corte del tubo separador a formar un vórtice o semi vórtice que atrapa las partículas por fuerza centrífuga y centrípeta realizando la separación de estos cuerpos del flujo principal de agua.

Después de esto las partículas pasan por gravedad al interior del tubo, donde la velocidad lateral del fluido es nula. Las partículas siguen descendiendo y salen del tubo a la zona de deposición.

El diseño parte de las siguientes premisas: Diseñar, construir e instalar un sistema que no necesite personal especializado para el mantenimiento; diseñar, construir e instalar un sistema que no tenga altos costos de mantenimiento; diseñar, construir e instalar un sistema de diseño y construcción simple; diseñar, construir e instalar un sistema de bajo costo de construcción y larga duración en el tiempo; diseñar un sistema que sea fácil de aceptar por el personal operativo que realiza las tareas de mantenimiento; y finalmente diseñar, construir e instalar un sistema de bajo impacto ambiental y leve perturbación de las condiciones ecológicas, durante su construcción, operación, mantenimiento y posterior desecho.

Para ello, se realiza un estudio de velocidad de sedimentación y tamaño de partícula transportada por el agua o el fluido. Este estudio se realiza con el objetivo de determinar la velocidad de sedimentación de las partículas que arrastra el agua o el fluido. Con estos datos se obtuvo la velocidad mínima y máxima que debe tener el agua dentro del sistema. Con este dato y los datos obtenidos de los estudios de floculación se determina las dimensiones de los tubos, sus inclinaciones, orientación, largos y diámetros y demás parámetros del sistema. Para las pruebas de floculación, si fuera necesario utilizar coagulación y floculación se realizan pruebas con distintos coagulantes con el objetivo de conseguir un floculo lo más estable posible y realizar pruebas de velocidad de sedimentación y floculación para obtener las variables de diseño del sistema. Se realizan también pruebas de biocolmatación con el objetivo de determinar si existe posibilidad de biocolmatación o bio interferencia en el SISTEMA. Se pueden utilizar distintos métodos para este estudio. Uno es el estudio de química del fluido o caracterización para elegir los materiales de construcción del sistema y para obtener las variables de diseño.

El principio de funcionamiento parte del hecho de que el SISTEMA es un separador de sólido- liquido que funciona de la siguiente manera: Se utilizan unas estructuras cilindricas y/o angulares modulares a las cuales se les realiza un corte específico, según el fluido y los sólidos a separar. A estos módulos se los enfrenta a la corriente del fluido en un Angulo determinado. El flujo del fluido interceptado perpendicularmente por el tubo genera un semi vórtice o vórtice completo que capta las partículas o sedimentos y los introduce al interior del tubo en donde la velocidad paralela al flujo principal es 0 (cero), creando una zona de deposición. De esta manera se logra la primera etapa de la separación de las partículas del flujo principal. Colocando estos tubos en paralelo y enfrentados dentro de un contenedor rectangular, circular, o de otra forma e inclinándolos un ángulo se logra una zona de deposición en los laterales del contenedor. Colocando estos tubos en paralelo y de espalda dentro de un contenedor rectangular circular, o de otra forma e inclinándolos un ángulo se logra una zona de deposición en el centro del contenedor.

Como ejemplo se construyó un prototipo con un tubo plástico de Polietileno de alta densidad, tipo ADS de 700 mm de diámetro interior y se selló en los extremos con dos bridas metálicas en las cuales se soldaron las tuberías influentes y efluente y la tubería de limpieza.

Dentro de este tubo se colocaron 10 módulos, los cuales están construidos cada uno con 106 tubos con los cortes generadores de los micro vórtices hacia fuera y con la zona de deposición hacia adentro y abajo del tubo.

El agua ingresa al sistema a través de los 2 tubos influentes. U no recorre el exterior de los módulos donde los micro vórtices generan 1060 zonas de separación, arrastrando los sedimentos hacia dentro de los tubos y desde allí a la zona más interna del tubo, zona que llamaremos de deposición.

El principio de este sistema es poder tener una velocidad alta en los laterales del tubo contenedor y una velocidad muy baja o cero en el interior, y que los pequeños vórtices trasladen los sedimentos desde una zona de alta velocidad relativa a una de baja o nula velocidad donde los sedimentos decantan por gravedad sin posibilidades de escapar de esta trampa hidráulica.

Es posible conseguir el mismo efecto si se colocan los módulos enfrentados siendo las zonas de deposición externas y la zona de velocidad y agua limpia por dentro.

Es posible también poner estos módulos dentro de tanques convencionales y magnificar enormemente su capacidad de retención de sólidos y flóculos.

Para la limpieza solo basta abrir la válvula dispuesta a tal fin la cual comunica la zona de deposición con la tubería de desagüe y la corriente generada extraerá el sedimento acumulado con muy poco gasto de agua. El sistema posee un ángulo que facilita que el material se acumule en el extremo del sistema donde está la válvula de limpieza.

Los tubos separadores pueden ser tubos cilindricos, cónicos o de diferentes formas y tamaños; siempre que generen el micro vórtice atrapando y arrastrando los sedimentos hacia su interior inmovilizándolos. Trasladando las partículas de una zona de alta velocidad a una zona de velocidad cero o casi cero. De la misma manera el contenedor puede ser de distinto tamaño y forma, abierto o cerrado y construido con diversos materiales conocidos o por conocer.

Para el mantenimiento del sistema, el sistema no necesita otro mantenimiento más que la apertura de la válvula de limpieza cuando el sedimento acumulado llene la zona de almacenaje. Este proceso puede ser manual o automático. La automatización se logra instalando dos celdas de carga que midan el peso del decantador cuando el sedimento acumulado supere el nivel establecido por programación, el Controlador Lógico Programable (PLC) abre automáticamente la válvula de limpieza y el ciclo continúa. Si los materiales de construcción del sistema son plástico, acero inoxidable u otro material inalterable éste no necesita ningún otro mantenimiento. Incluso puede permanecer enterrado sin mantenimiento alguno.

Si el sistema de módulos se instala en un tanque decantador o sedimentador tradicional abierto es posible que se generen algas o fijación de material biológico en los módulos, en tal caso se puede limpiar con un chorro de agua a presión.

El sistema propuesto disminuye dramáticamente la turbídez del fluido tratado. En agua para consumo humano se logró bajar la turbídez de 124 UNT a 29 UNT con un caudal de 7 l/s en un tubo 700 mm y 6 metros de largo. Se pueden tratar grandes caudales en áreas muy pequeñas. Incluso el sistema permite tratar aguas muy turbias y disminuir el tamaño de los sistemas de tratamiento posteriores. Aumentando la carrera de los filtros u tratamientos posteriores. El sistema puede ser construido en módulos individuales, permitiendo ampliar el sistema de forma fácil y económica.

El Sistema no produce una pérdida de presión apreciable cuando se instalan los módulos en tubos bajo presión, en sistemas abiertos tradicionales se pierde toda la energía del agua y la mayoría de las veces es necesario rebombeo o instalar el tratamiento en lugares restringidos o alejados. No necesita personal permanente de mantenimiento o cuidado y es más compacto y necesita menos espacio para su instalación y operación.

El sistema no necesita electricidad para su funcionamiento, (si se coloca automatización a la válvula de limpieza, el consumo eléctrico es insignificante). No posee partes móviles y puede funcionar enterrado o confinado sin inconvenientes. Es muy difícil de violentar o vandalizar.

Se puede coagular y flocular en el mismo sistema sin que se produzca la rotura del floculo por turbulencia.

Los micro vórtices y las inclinaciones de los tubos magnifican el proceso de floculación acercando las partículas entre ellas, aumentando la probabilidad de contacto y la formación de flóculos grandes.

En síntesis, la presente invención se trata de un sistema de separación líquido-sólido con efecto hidráulico, donde por medio de estructuras cilindricas o angulares modulares se capta el fluido que contiene y arrastra sedimentos, floculos o partículas, forzados por el corte del tubo separador a formar micro vórtices y micro sem ¡vórtices, que atrapa las partículas por fuerza centrífuga y centrípeta realizando la separación de estos cuerpos del flujo principal de fluido, para luego pasar por gravedad al interior y exterior del tubo, donde la velocidad lateral del fluido es nula provocando que las partículas sigan descendiendo y salgan del tubo a la zona de deposición, provocando la separación de líquidos y sólidos.

El sistema consiste en los varios pasos. En primer lugar se agrupan al menos dos estructuras cilindricas o angulares modulares en al menos un módulo, a las cuales se les realiza un corte en un extremo de la estructura, y se ubica en tres ángulos de cero a noventa grados con respecto a la normal del flujo según el fluido y los sólidos a separar.

Cada módulo se enfrenta a la corriente del fluido en un ángulo de cero a noventa grados de acuerdo al fluido y al peso específico de los sólidos a separar de acuerdo al fluido. Si la partícula es pesada el ángulo es más pronunciado. En ángulo es proporcional al peso específico de la partícula para permitir hacer la separación de acuerdo al peso de la misma. En virtud del ángulo indicado, el flujo del fluido interceptado perpendicularmente por la estructura cilindrica o angular genera un micro vórtice completo o un micro semi vórtice que capta las partículas o sedimentos y los introduce a la estructura en donde la velocidad paralela al flujo principal es 0 (cero), creando una zona de deposición. La deposición de las partículas puede darse tanto en el interior como en el exterior de la estructura.

En esta zona de deposición se logra la primera etapa de la separación de las partículas del flujo principal. Seguidamente en una segunda etapa se colocan las estructuras cilindricas o angulares en paralelo y enfrentadas dentro de un contenedor preferiblemente rectangular o circular, e inclinándolas en un ángulo n ecesa ri o hasta log ra r u n a zon a d e deposición en el interior y en el exterior de la estructura.

Si se colocan estas estructuras cilindricas o angulares en paralelo y de espalda dentro de un contenedor preferiblemente rectangular o circular, e inclinándolas en un ángulo de cero a noventa grados se logra una zona de deposición en canales de captación.

El sistema presenta un efecto hidráulico de micro vórtice o semi micro vórtice y utiliza la aceleración centrífuga para realizar la separación de fluidos y sólidos. Los micro vórtices generan una micro área de deposición atrapando las partículas presentes en el fluido captado. El sistema permite además utilizar la aceleración centrípeta para captar en el exterior del micro vórtice las partículas menos densas que el agua o muy próximas a la densidad del agua.

En este sistema, el corte en la estructura cilindrica o angular debe crear un micro vórtice interno y otro externo, y/o un semi micro vórtice interno y otro externo, para permitir generar un ángulo de salida del fluido y retener los sólidos interna y externamente.

El sistema posee una estructura de soporte que sostiene las estructuras cilindricas o angulares, las cuales pueden ser de plástico de polietileno de alta densidad, de acero inoxidable o de cualquier material semejante, de al menos un metro cúbico.

Es posible colocar los módulos dentro de tanques convencionales abiertos a la atmósfera o presurizados.

El sistema posee un mecanismo de limpieza por medio de una válvula o compuerta de acceso que comunica a la zona de deposición con la tubería de desagüe, donde la corriente generada extrae el sedimento acumulado por medio de fluido y donde el sistema posee un ángulo de inclinación para facilitar que el material se acumule en el extremo del sistema donde está la válvula o compuerta de limpieza.

Las estructuras cilindricas o angulares son fijadas a la estructura de soporte con filamentos plásticos o metálicos.

Los micro y semi micro vórtices y las inclinaciones de las estructuras cilindricas o angulares, magnifican el proceso de floculación acercando las partículas entre ellas, aumentando la probabilidad de contacto y la formación de flóculos grandes.

El ciclo que se produce en la captación del fluido separa sólidos de sólidos y sólidos de líquidos, y capta incluso partículas coloidales que son disociadas del fluido.