Veličina čestica u odnosu na efikasnost taložnika nagnute cijevi: CFD simulacija pronalazi prag od 80 μm

Znate da taložnik u cijevi uklanja suspendirane čvrste tvari. Ali znate li koje veličine zapravo uklanja - a koje se provlače bez obzira na to koliko je spremnik dobro dizajniran? Koristeći CFD simulaciju stvarnog 1.000 m³/d protivstrujnog nagnutog cijevnog taložnika u provinciji Anhui, istraživači su modelirali ponašanje čestica iz30 do 120 μmpod stvarnim uslovima rada. Rezultat je jasan prag: ispod 80 μm, veličina čestica jedva da je bitna za uklanjanje. Iznad 80 μm, efikasnost raste. Ako vaš koagulant ne proizvodi flokule iznad tog praga, vaše nagnute cijevi ne rade ono što ste platili.

ZAŠTO CFD - I ZAŠTO OVAJ TANK

Većina studija o kosim cevnim taložnicima fokusira se na obrasce protoka - optimizaciju dimenzija rezervoara, smanjenje mrtvih zona, ujednačavanje raspodele brzine. Malo je njih postavilo pitanje koje je najvažnije za kvalitet otpadnih voda:s obzirom na specifičnu distribuciju veličine čestica, šta se zapravo uklanja?Budući da čestice različitog promjera imaju različite brzine taloženja, distribucija veličine čestica suspendovanih čvrstih materija direktno kontroliše efikasnost sedimentacije koju rezervoar može postići.

Da bi odgovorili na ovo, istraživači su koristilistandardni k-ε model turbulencije(za polje protoka) zajedno saVišefazni model mješavine(za dvofazno ponašanje čvrsto-tečnost) - kombinacija pogodna za simulaciju turbulentnog, česticama opterećenog toka unutar radnog taložnika cijevi.

Testni slučaj je bio pravi protivstrujni nagnuti taložnik u vodovodu u provinciji Anhui, sa sljedećim konstrukcijskim i radnim parametrima:

REZULTAT 1: GDJE SE ČESTICE KONCENTRIRAJU - I ZAŠTO JE TO BITNO

Simulirano je pet prečnika čestica:30, 50, 80, 100 i 120 μm. Za svaku je ispitana vertikalna distribucija suspendiranih čvrstih tvari crtanjem prosječnog volumnog udjela na poprečnim presjecima na različitim visinama (slika 2).

Iz profila koncentracije proizlaze tri obrasca:

1. Sve veličine čestica slijede isti opći trend.Ukupni oblik krivulje koncentracije u odnosu na visinu je sličan bez obzira na promjer. Fizika rezervoara - struktura sa četiri zone, put protoka, obrazac turbulencije - nameće zajednički profil koncentracije.

2. Na ulazu u cijev (~1,5 m visine), koncentracija naglo raste za veće čestice.Ovo je prelazna zona u kojoj protok ulazi u nagnute cijevi. Turbulencija i miješanje stvaraju područje visoke koncentracije koje promoviše kontakt čestica i flokulaciju - pozitivan učinak za razdvajanje čvrstog i tečnog. Što su veće čestice koje ulaze u ovu zonu, to je izraženiji skok koncentracije.

3. Na dnu rezervoara i poprečnom preseku efluenta, veličina čestica utiče na ishod.U blizini zone mulja, prosječni volumenski udio raste sa veličinom čestica - više velikih čestica se taloži i akumulira tamo gdje bi trebalo. Na poprečnom presjeku efluenta, prosječni volumenski udiosmanjuje sekako se veličina čestica povećava - manje velikih čestica izlazi. Korelacija je nedvosmislena:veće čestice → više se talože → čistiji efluent.

REZULTAT 2: PRAG 80 μm

Efikasnost uklanjanja η je definisana kao:

gdje je C_ulazje uticajna koncentracija SS (kg/m³) i C_izlazje koncentracija efluenta SS (kg/m³).

Slika 3 prikazuje odnos između efikasnosti uklanjanja i prečnika čestica pod datim uslovima uticaja (295 mg/L SS, 1,050 kg/m³ gustina, 0,02001 Pa·s viskozitet). Krivulja nije linearna - ima izrazito koljeno.

Podaci otkrivaju dva režima:

Razlog je hidraulički: čestice ispod 80 μm imaju dovoljno niske brzine taloženja da ih uzlazni tok u cijevima može izvesti, bez obzira na to koliko je spremnik dizajniran. Iznad 80 μm, brzina slijeganja nadmašuje brzinu naviše za marginu širenja, a uklanjanje postaje efektivno. Prag od 80 μm specifičan je za geometriju ovog rezervoara i radne uslove (prečnik cevi 40 mm, nagib od 60 stepeni, ulazna brzina 0,1 m/s) - ali princip se široko primenjuje:svaki taložnik u cijevi ima kritičnu veličinu čestica ispod koje je uklanjanje slabo, a ta veličina je određena uzlaznom brzinom u cijevima.

ŠTA OVO ZNAČI ZA VAŠU BILJKU

1. Doziranje koagulanta ima cilj, a on je 80 μm.Svrha koagulacije i flokulacije - osim neutralizirajućeg naboja i premošćivanja čestica - je da rastu flokule iznad kritične veličine gdje ih cijevni taložnik može uhvatiti. Testiranje tegle bi trebalo potvrditi da vaše formirane flokule premašuju granični promjer za vašu specifičnu geometriju rezervoara.

2. Ako je vaša efluentna voda zamućena i veličina flokula je ispod praga, problem nije u cijevima – u fazi flokulacije.Dodavanje više cijevi ili smanjenje brzine prema gore će neznatno pomoći. Ali pravo rješenje je uzvodno: bolja flokulacija za proizvodnju većih, gušćih čestica koje postojeće cijevi mogu uhvatiti.

3. Kritična veličina je specifična za rezervoar.Ova simulacija je pronašla 80 μm za cijev od 40 mm na 60 stepeni sa ulaznom brzinom od 0,1 m/s. Manji promjer cijevi, ravniji ugao ili niža brzina prema gore pomjerili bi prag prema dolje - što znači da se manje čestice mogu ukloniti. Zbog toga geometrija cijevi i hidrauličko opterećenje nisu samo projektni parametri; oni direktno postavljaju minimalnu veličinu čestica koju vaš taložnik može podnijeti.

4. CFD simulacija je praktičan alat za dizajn, a ne akademska vježba.Kombinacija modela k-ε + mješavina koja se ovdje koristi može predvidjeti, za bilo koju geometriju rezervoara i radni uvjet, krivulju efikasnosti uklanjanja veličine čestica. Prije izgradnje ili naknadne ugradnje, simulacija može odgovoriti na pitanje koje empirijska pravila dizajna ne mogu:hoće li ovaj rezervoar ukloniti čestice u mojoj sirovoj vodi?