Veľkosť častíc vs. Účinnosť usadzovača naklonených rúrok: CFD simulácia nájde prah 80 μm

Viete, že usadzovač rúrok odstraňuje suspendované pevné látky. Viete však, ktoré veľkosti skutočne odstraňuje - a ktoré veľkosti prekĺznu bez ohľadu na to, ako dobre je nádrž navrhnutá? Pomocou CFD simulácie skutočného protiprúdového nakloneného usadzovača rúrok v provincii Anhui výskumníci modelovali správanie častíc z30 až 120 μmza skutočných prevádzkových podmienok. Výsledkom je jasný prah: pod 80 μm na veľkosti častíc sotva záleží. Nad 80 μm účinnosť stúpa. Ak váš koagulant nevytvára vločky nad touto hranicou, vaše naklonené trubice nerobia to, za čo ste zaplatili.

PREČO CFD – A PREČO TENTO NÁDRŽ

Väčšina štúdií o naklonených rúrkových usadzovačoch sa zameriava na vzory prúdenia - optimalizácia rozmerov nádrže, zníženie mŕtvych zón, vyhladenie distribúcie rýchlosti. Málokto si položil otázku, ktorá je pre kvalitu odpadovej vody najdôležitejšia:vzhľadom na špecifickú distribúciu veľkosti častíc, čo sa vlastne odstráni?Pretože častice rôznych priemerov majú rôzne rýchlosti usadzovania, distribúcia veľkosti častíc pritekajúcich suspendovaných látok priamo riadi účinnosť sedimentácie, ktorú môže nádrž dosiahnuť.

Na odpoveď výskumníci použilištandardný model k-ε turbulencie(pre prietokové pole) spojené sViacfázový model zmesi(pre dvojfázové správanie tuhá látka-kvapalina) - kombinácia vhodná na simuláciu turbulentného prúdenia plného častíc vo vnútri prevádzkového usadzovača rúrok.

Testovacím prípadom bol skutočný protiprúdový usadzovač naklonených rúr vo vodnom diele v provincii Anhui s nasledujúcimi konštrukčnými a prevádzkovými parametrami:

VÝSLEDOK 1: KDE SA KONCENTRUJÚ ČASTICE – A PREČO NA TOM ZÁLEŽÍ

Bolo simulovaných päť priemerov častíc:30, 50, 80, 100 a 120 um. Pre každý z nich sa skúmala vertikálna distribúcia nerozpustených látok vynesením priemerného objemového podielu na prierezy v rôznych výškach (obrázok 2).

Z koncentračných profilov vyplývajú tri vzorce:

1. Všetky veľkosti častíc sledujú rovnaký všeobecný trend.Celkový tvar krivky koncentrácia verzus výška je podobný bez ohľadu na priemer. Fyzika nádrže – štvorzónová štruktúra, dráha prúdenia, priebeh turbulencie – vyžaduje spoločný koncentračný profil.

2. Na vstupe do rúrky (výška ~1,5 m) prudko stúpa koncentrácia väčších častíc.Toto je prechodová zóna, kde prúdenie vstupuje do naklonených rúrok. Turbulencia a miešanie vytvárajú oblasť s vysokou koncentráciou, ktorá podporuje kontakt častíc a flokuláciu – pozitívny efekt pri separácii pevnej látky a kvapaliny. Čím väčšie častice vstupujú do tejto zóny, tým výraznejší je nárast koncentrácie.

3. Na dne nádrže a priereze odpadovej vody určuje výsledok veľkosť častíc.V blízkosti kalovej zóny priemerná objemová frakcia stúpa s veľkosťou častíc - väčšie častice sa usadzujú a hromadia tam, kde by mali. Na priereze odtoku priemerný objemový podielklesáso zvyšujúcou sa veľkosťou častíc - uniká menej veľkých častíc. Korelácia je jednoznačná:väčšie častice → viac usadzovať → čistejší odpad.

VÝSLEDOK 2: PRAH 80 μm

Účinnosť odstraňovania η je definovaná ako:

kde C_vtokje prítoková koncentrácia SS (kg/m³) a C_výstupje koncentrácia SS v odpade (kg/m³).

Obrázok 3 ukazuje vzťah medzi účinnosťou odstraňovania a priemerom častíc za daných podmienok prítoku (295 mg/l SS, hustota 1050 kg/m³, viskozita 0,02001 Pa·s). Krivka nie je lineárna - má výrazné koleno.

Údaje odhaľujú dva režimy:

Dôvod je hydraulický: častice s veľkosťou pod 80 μm majú rýchlosť usadzovania dostatočne nízku na to, aby ich tok smerom nahor v rúrkach mohol vykonať bez ohľadu na to, ako dobre je nádrž navrhnutá. Nad 80 μm rýchlosť usadzovania predbehne vzostupnú rýchlosť o zväčšenie a odstránenie sa stáva účinným. Prahová hodnota 80 μm je špecifická pre geometriu a prevádzkové podmienky tejto nádrže (priemer rúrky 40 mm, sklon 60 stupňov, vstupná rýchlosť 0,1 m/s) – ale zásada platí široko:každý usadzovač rúr má kritickú veľkosť častíc, pod ktorou je odstraňovanie slabé, a táto veľkosť je určená vzostupnou rýchlosťou v rúrach.

ČO TO ZNAMENÁ PRE VAŠU RASTLINU

1. Dávkovanie koagulantu má cieľ a je to 80 μm.Účelom koagulácie a flokulácie - okrem neutralizovania náboja a premostenia častíc - je rast vločiek nad kritickú veľkosť, kde ich môže usadzovač rúrok zachytiť. Testovanie nádob by malo potvrdiť, že vaše vytvorené vločky presahujú prahový priemer pre vašu špecifickú geometriu nádrže.

2. Ak je vaša odpadová voda zakalená a veľkosť vločiek je pod prahovou hodnotou, problémom nie sú skúmavky, ale fáza flokulácie.Pridanie ďalších trubíc alebo zníženie rýchlosti smerom nahor pomôže okrajovo. Skutočná oprava je však proti prúdu: lepšia flokulácia na vytvorenie väčších a hustejších častíc, ktoré dokážu zachytiť existujúce trubice.

3. Kritická veľkosť je špecifická pre nádrž.Táto simulácia našla 80 μm pre 40 mm trubicu pri 60 stupňoch so vstupnou rýchlosťou 0,1 m/s. Menší priemer trubice, plochejší uhol alebo nižšia rýchlosť smerom nahor by posunuli prah nadol – čo znamená, že menšie častice sa stanú odstrániteľnými. To je dôvod, prečo geometria rúr a hydraulické zaťaženie nie sú len konštrukčnými parametrami; priamo nastavujú minimálnu veľkosť častíc, ktorú môže váš osadník zvládnuť.

4. CFD simulácia je praktický návrhársky nástroj, nie akademické cvičenie.Tu použitá kombinácia modelu k-ε + Mixture môže predpovedať krivku účinnosti odstraňovania veľkosti častíc pre akúkoľvek geometriu nádrže a prevádzkové podmienky. Pred výstavbou alebo modernizáciou môže simulácia odpovedať na otázku, že empirické pravidlá návrhu nemôžu:odstráni táto nádrž častice z mojej surovej vody?