AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
6 – Mistura Rápida
Continuação
2
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Ressalto em medidor Parshall (calha Parshall):
Foi idealizado por R.L. Parshall, engenheiro do Serviço de
Irrigação do Departamento de Agricultura dos EUA.
Originalmente foi pensado como medidor de vazão.
É também um eficiente dispositivo de mistura rápida.
Consiste de três seções:
 Uma seção convergente a montante;
 Uma seção estrangulada ou garganta;
 Uma seção divergente na saída.
3
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
O piso na seção convergente é horizontal, inclina-se para
baixo na garganta e para cima na seção saída.
4
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Podem ser construídos dois poços de medida de altura das
lâminas liquidas.
 O primeiro, localizado no trecho convergente (o quando a
unidade funciona com descarga livre ou afogada na saída).
 O segundo, localizado na garganta (necessário somente
quando a descarga é afogada na saída)
5
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
As dimensões são padronizadas:
6
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
As dimensões padronizadas da calha Parshall constituem
sua principal vantagem porque permitem o conhecimento
prévio dos gradientes de velocidade.
Apresenta ainda todas as vantagens dos vertedores: não
requerer energia elétrica; a manutenção é simplificada pela
ausência de partes móveis e pela facilidade de acessar a
unidade; é utilizada como medidor de vazão.
Entretanto, apresenta como desvantagens:
7
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
O misturador, depois de implantado, não pode controlar o
gradiente de velocidade e o tempo de mistura quando a
vazão afluente à ETA muda.
A variação de vazão afluente à ETA pode gerar submersão
do ressalto, diminuindo a eficiência da mistura.
O misturador pode apresentar erosão no local onde o
ressalto é gerado.
A construção não é tão simples, comparada com os
vertedores retangulares.
8
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
A unidade ocupa maior espaço em planta na ETA,
comparado com difusores, injetores ou misturadores
estáticos.
A unidade para vazões inferiores a 40 l/s pode ser muito
pequena, dificultando sua construção no local.
Segundo Azevedo neto, a velocidade da água no início da
garganta do Parshall, deve ser, pelo menos, igual a 2,0 m/s.
9
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
10
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
11
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
A sequência de cálculo é semelhante a do ressalto por
mudança de declividade:
A energia hidráulica disponível é calculada pela equação:
𝑈12
𝐸𝑜 = 𝐸 =
+ 𝐻𝑜 + 𝑁
(2. 𝑔)
25
A profundidade da água pode ser calculada pela equação:
𝐻𝑜 = 𝜅. 𝑄 𝑛
26
Em que Q é a vazão em m3/s.
Os valores de κ e n são dados na tabela abaixo.
12
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
13
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
A velocidade da água na seção de medição é calculada pela
equação:
𝑄
𝑈𝑜 =
27
𝐻𝑜 . 𝐷𝑜
em que que Q é a vazão em m3/s, e :
2
𝐷𝑜 = . (𝐷 − 𝑊 ) + 𝑊
3
28
A profundidade na seção de saída (seção 3) é calculada
por:
𝑦3 = 𝑦2 − (𝑁 − 𝐾)
29
14
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
A velocidade da água na seção de saída é dada por:
𝑄
𝑈3 =
𝐶. 𝑦3
30
Como praticamente toda energia cinética é dissipada na
seção divergente, o tempo de mistura pode ser estimado pela
velocidade média entre a velocidade U1 na saída da garganta
(seção 1) e a velocidade na saída da Parshall U3 na seção 3:
𝑇𝑚𝑟 =
𝐺
(𝑈1 +𝑈3 )
31
2
15
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Roteiro para o cálculo do ressalto hidráulico com calhas
Parshall:
Cálculo da profundidade Ho (na seção de medição) => equação 26
Cálculo da lardura Do (na seção de medição) => equação 28
Cálculo da velocidade na seção o – Uo => equação 27
Cálculo da vazão específica (na garganta da calha) => Q/W
Cálculo da energia hidráulica disponível Eo => equação 25
Cálculo do ângulo fictício θ => equação 24
Cálculo da velocidade na seção 1 – U1 => equação 23
Cálculo da altura d’água antes do ressalto - y1 => equação 21
Cálculo da número de Froude - F1 => equação 9
Cálculo da altura d’água na seção 2 - y2 => equação 10
16
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Cálculo da altura d’água na seção 3 – y3 => equação 29
Cálculo da velocidade na seção de saída 3 – U3 => equação 30
Cálculo da perda de carga no ressalto - En => equação 11
Cálculo do tempo de mistura - Tmr => equação 31
Gradiente de velocidade - G => equação 4
17
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Processo de coagulação – calhas Parshall - ETA Campos do Jordão/SP
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA
18
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Processo de coagulação – calhas Parshall - ETA Campos do Jordão/SP
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA
19
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Processo de coagulação – calhas Parshall - ETA Campos do Jordão/SP
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA
20
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Processo de coagulação – calhas Parshall - ETA Caraguatatuba/SP
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA
21
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Considerações sobre a aplicação do coagulante e
localização da unidade de mistura:
Com um único ponto de aplicação do coagulante a mistura
só se completará a uma distância L (pode resultar num
tempo inadequado para a coagulação).
22
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Quanto maior o número de pontos, menores será a
distância L e o tempo de mistura.
Num ressalto hidráulico o coagulante deve ser aplicado
antes da zona de turbulência, onde a lâmina tem a menor
profundidade.
Isso pode ser feito por meio de um tubo ou canaleta
perfurada.
23
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
24
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
25
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Processo de coagulação – calhas Parshall - ETA Campos do Jordão/SP
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA
26
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
O espaçamento entre os orifícios não deve ser maior que
15 cm, de preferência 10 cm.
Em ressaltos com F1 < 2,5, há tendência de parte da
corrente passar pelo fundo sem turbulência e não receber
coagulante no tempo devido.
Isso pode ser contornado promovendo-se rugosidade
artificial no fundo do canal.
Em misturadores mecânicos tipo turbina, o coagulante
deve ser aplicado um pouco abaixo do impulsor.
27
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Como regra geral, a unidade de mistura rápida deve ficar
o mais próximo possível dos tanques de floculação.
A situação ideal é a mistura rápida se iniciar
imediatamente aos a floculação.
Quando isso não for possível devem-se prever medidas
para se ter um gradiente no conduto (entre a mistura rápida e
a entrada dos floculadores) não menor que o gradiente inicial
de floculação.
28
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
29
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Processo de coagulação – calhas Parshall - ETA Caraguatatuba/SP
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA
30
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Processo de coagulação – calhas Parshall - ETA Caraguatatuba/SP
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA
31
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Mistura mecânica (com turbinas):
Unidades mecanizadas de mistura rápida são muito
utilizadas nos EUA e Canadá, enquanto as hidráulicas são
comumente empregadas nos países europeus e em
desenvolvimento.
São classificados pelo tipo de fluxo produzido:
 de fluxo axial, que move o líquido paralelamente
ao eixo do agitador.
 de fluxo radial, quando o líquido se move
perpendicularmente ao eixo.
32
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Agitadores tipo turbina
e de hélices utilizados
para mistura rápida
33
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Câmaras de mistura:

Seção circular D = H

Seção quadrada
Principal vantagem em relação aos relação aos misturadores
hidráulicos: variação do gradiente de velocidade (variar a
potência dissipada).
34
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
A potência dissipada pode ser calculada com base na
equação de Uhl e Gray (1996):
𝑃 = 𝐾. 𝜌. 𝑛3 . 𝐷 5
36
em que:
P = potência dissipada (W);
K = número de potência (adimensional);
ρ = massa específica da água (kg.m-3);
n = número de rotações por segundo (rpm);
D = diâmetro da turbina (m).
35
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
O número de potência relaciona-se com o tipo de agitador
e com o regime de escoamento.
36
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Para agitadores com turbina de fluxo radial de seis pás
retas fixadas em disco e em regime turbulento (Re > 10000),
o valor de K passa a ser praticamente constante e igual a 5.
37
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
A mistura com turbinas envolve inicialmente a definição da
geometria do tanque e da turbina.
Fixado o volume do tanque, em função do tempo de
mistura, deve-se procurar dimensões para o tanque e a
turbina, conforme a tabela abaixo:
38
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
39
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Em condições turbulentas, a potência dissipada por
unidade de volume em um tanque circular é a mesma que a
de um tanque quadrado, quando o lado é igual ao
diâmetro.
Fixados o volume do tanque e o gradiente de velocidade,
calcula-se a potência a ser dissipada P = μ.V.G2.
De posse desse valor e escolhidos o tipo e o diâmetro da
turbina, determina-se a velocidade de rotação (s-1):
40
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
𝑃
𝑛= √
𝐾. 𝜌. 𝐷5
3
37
Para diferentes intervalos de G e n, pode-se utilizar a
relação:
𝑛
𝑛𝑜
2⁄
3
𝐺
=( )
𝐺
𝑜
Agitadores Mecanizados (NBR 12216):
a) A potência deve ser estabelecida em função do gradiente
de velocidade;
41
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
b) Períodos de detenção inferiores a 2s exigem que o fluxo
incida diretamente sobre as pás do agitador.
c) O produto químico a ser disperso deve ser introduzido logo
abaixo da turbina ou hélice do agitador
Mistura por difusores de ar (mistura pneumática):
Difusores de ar podem ser empregados nas fases de
mistura rápida e floculação.
42
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Apresentam vantagens quando é utilizada a clarificação
por flotação.
Adaptam-se
facilmente
as
estruturas
hidráulicas
existentes, sendo uma alternativa para a ampliação ou
otimização de uma ETA.
É particularmente aplicável em canais de grande
profundidade.
O gradiente de velocidade é controlado pelo fluxo de ar,
sendo que as bolhas de ar provocam a circulação do líquido.
43
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
A potência dissipada (W) pode ser calculada em função
da expansão isotérmica do ar:
𝐻 + 𝑃𝑎
𝑃 = 𝜌. 𝑔. 𝑄𝑎𝑟 . 𝑃𝑎 . ln (
)
𝑃𝑎
38
em que:
g = aceleração da gravidade;
Qar = vazão de ar (m3s-1);
Pa = pressão atmosférica local (m.c.a)
H = profundidade de instalação do difusor (m.c.a)
44
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
A pressão atmosférica, em metros de coluna d’água, varia
com a altitude Z segundo a expressão:
𝑃𝑎 = 10,33. (1 − 2,26. 10−5 . 𝑍)
5,256
39
Para se obter um determinado gradiente, a vazão Qar
(m3.s-1) é:
𝑄𝑎𝑟 =
𝜇. 𝑉𝑜𝑙 . 𝐺 2
𝜌. 𝑔. 𝑃𝑎 . 𝑙𝑛 (
𝐻+𝑃𝑎
𝑃𝑎
)
40
Para a mistura rápida não importa o tamanho das bolhas.
45
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Para floculação é preferível um difusor de “bolhas finas”
(diâmetro inferior a 0,1 mm).
Podem ocorrer problemas com escuma, dependendo do
coagulante utilizado.
Pode ocorrer também presença de algas prejudicando a
sedimentação e a filtração.
46
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Processo de coagulação – ETA Rio Grande (SABESP)
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA
47
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Processo de coagulação – ETA Rio Grande (SABESP)
FONTE: Prof. Dr. Roque P. Piveli e Prof. Dr. Sidney Seckler Ferreira Filho
ESCOLA POLITÉCNICA DA USP DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA
48
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Malha difusora: São dispositivos que produzem jatos da
solução de coagulante, aplicados no interior da água a ser
tratada. É constituída por uma série de tubos dotados de
orifícios para a dispersão do coagulante.
São necessários pelo menos 16 orifícios por decímetro
quadrado para se obter resultados satisfatórios. Isso implica
num diâmetro muito pequeno para o orifício. Frequente
obstrução e necessidade de limpeza (por isso o emprego
dessas malhas difusoras caiu em desuso).
49
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
50
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
51
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Malhas difusoras (NBR 12216):
a) A aplicação de solução de coagulante deve ser uniformemente
distribuída, através de jatos não-dirigidos no mesmo sentido do fluxo;
b) Velocidade mínima da água do reator: 2 m/s;
c) Área máxima da seção transversal do reator correspondente a
cada orifício: 200 cm2;
d) Diâmetro mínimo dos orifícios da malha difusora: 3 mm;
e) O sistema difusor deve permitir limpezas periódicas nas
tubulações que distribuem a solução de coagulante.
52
AMB30106 - Sistema de Água II
Coagulação – Mistura rápida
Na próxima aula:
Floculação
53