Размер на частиците спрямо ефективност на утаителя с наклонена тръба: CFD симулацията открива прага от 80 μm

Знаете, че тръбният утаител премахва суспендирани твърди вещества. Но знаете ли кои размери всъщност премахва - и кои размери се промъкват независимо от това колко добре е проектиран резервоарът? Използвайки CFD симулация на реален 1000 m³/d противотоков наклонен тръбен утаител в провинция Анхуей, изследователите моделираха поведението на частици от30 до 120 μmпри реални експлоатационни условия. Резултатът е ясен праг: под 80 μm размерът на частиците почти няма значение за отстраняване. Над 80 μm ефективността нараства. Ако вашият коагулант не произвежда флокули над този праг, вашите наклонени тръби не правят това, за което сте платили.

ЗАЩО CFD - И ЗАЩО ТОЗИ РЕЗЕРВОАР

Повечето проучвания върху наклонени тръбни утаители се фокусират върху моделите на потока - оптимизиране на размерите на резервоара, намаляване на мъртвите зони, изглаждане на разпределението на скоростта. Малцина са задавали въпроса, който е най-важен за качеството на отпадните води:като се има предвид конкретно разпределение на размера на частиците, какво всъщност се премахва?Тъй като частиците с различни диаметри имат различни скорости на утаяване, разпределението на размера на частиците на входящите суспендирани твърди вещества директно контролира ефективността на утаяване, която резервоарът може да постигне.

За да отговорят на този въпрос, изследователите са използвалистандартен k-ε модел на турбулентност(за полето на потока), съчетано сМногофазен модел на сместа(за двуфазно поведение твърдо-течно) - комбинация, подходяща за симулиране на турбулентния, натоварен с частици поток вътре в работещ тръбен утаител.

Тестовият случай беше реален противотоков наклонен тръбен утаител във водопроводна станция в провинция Анхуей със следния дизайн и работни параметри:

РЕЗУЛТАТ 1: КЪДЕ СЕ КОНЦЕНТРИРАТ ЧАСТИЦИТЕ - И ЗАЩО Е ЗНАЧЕНИЕ

Бяха симулирани пет диаметъра на частиците:30, 50, 80, 100 и 120 μm. За всяко, вертикалното разпределение на суспендираните твърди вещества беше изследвано чрез нанасяне на средната обемна фракция върху напречни сечения на различни височини (Фигура 2).

Три модела се появяват от профилите на концентрация:

1. Всички размери на частиците следват една и съща обща тенденция.Цялостната форма на кривата концентрация спрямо височина е сходна независимо от диаметъра. Физиката на резервоара - четиризоновата структура, пътя на потока, моделът на турбулентност - налага общ профил на концентрация.

2. На входа на тръбата (~1,5 m височина), концентрацията рязко се повишава за по-големи частици.Това е преходната зона, където потокът навлиза в наклонените тръби. Турбулентността и смесването създават област с висока концентрация, която насърчава контакта на частиците и флокулацията - положителен ефект за разделяне на твърдо вещество-течност. Колкото по-големи частици влизат в тази зона, толкова по-изразен е пикът на концентрация.

3. На дъното на резервоара и напречното сечение на отпадъчните води размерът на частиците определя резултата.Близо до зоната на утайката, средната обемна фракция нараства с размера на частиците - повече големи частици се утаяват и се натрупват там, където трябва. В напречното сечение на изтичащия поток, средната обемна фракциянамаляватъй като размерът на частиците се увеличава - по-малко големи частици излизат. Корелацията е недвусмислена:по-големи частици → повече утаяване → по-чисти отпадъчни води.

РЕЗУЛТАТ 2: ПРАГЪТ 80 μm

Ефективността на отстраняване η се определя като:

където C_входе входящата концентрация на SS (kg/m³) и C_изходе концентрацията на SS в отпадъчния поток (kg/m³).

Фигура 3 показва връзката между ефективността на отстраняване и диаметъра на частиците при дадените влиятелни условия (295 mg/L SS, 1,050 kg/m³ плътност, 0,02001 Pa·s вискозитет). Кривата не е линейна - има ясно изразено коляно.

Данните разкриват два режима:

Причината е хидравлична: частиците под 80 μm имат достатъчно ниски скорости на утаяване, че възходящият поток в тръбите може да ги изнесе, независимо колко добре е проектиран резервоарът. Над 80 μm скоростта на утаяване изпреварва скоростта нагоре с разширяваща се граница и отстраняването става ефективно. Прагът от 80 μm е специфичен за геометрията и работните условия на този резервоар (40 mm диаметър на тръбата, 60 градуса наклон, 0,1 m/s входна скорост) - но принципът се прилага широко:всеки тръбен утаител има критичен размер на частиците, под който отстраняването е лошо и този размер се определя от възходящата скорост в тръбите.

КАКВО ОЗНАЧАВА ТОВА ЗА ВАШЕТО РАСТЕНИЕ

1. Дозирането на коагуланта има цел и тя е 80 μm.Целта на коагулацията и флокулацията - отвъд неутрализирането на заряда и свързването на частиците - е да се развият флокули над критичния размер, където утаителят на тръбата може да ги улови. Тестването на буркан трябва да потвърди, че формираните ви флокули надвишават праговия диаметър за вашата специфична геометрия на резервоара.

2. Ако вашата отпадъчна вода е мътна и размерът на флокулите е под прага, проблемът не е в тръбите - проблемът е в етапа на флокулация.Добавянето на повече тръби или намаляването на скоростта нагоре ще помогне незначително. Но истинското решение е нагоре по веригата: по-добра флокулация за производство на по-големи, по-плътни частици, които съществуващите тръби могат да уловят.

3. Критичният размер е специфичен за резервоара.Тази симулация установи 80 μm за 40 mm тръба при 60 градуса с входна скорост 0,1 m/s. По-малък диаметър на тръбата, по-плосък ъгъл или по-ниска възходяща скорост биха изместили прага надолу - което означава, че по-малките частици стават отстраними. Ето защо геометрията на тръбата и хидравличното натоварване не са само проектни параметри; те директно задават минималния размер на частиците, с които вашият утаител може да се справи.

4. CFD симулацията е практически инструмент за проектиране, а не академично упражнение.Комбинацията от модели k-ε + смес, използвана тук, може да предскаже, за всяка геометрия на резервоара и работни условия, кривата размер на частиците – ефективност на отстраняване. Преди изграждане или преоборудване, симулацията може да отговори на въпроса, че емпиричните правила за проектиране не могат:този резервоар ще премахне ли частиците в моята сурова вода?