Kích thước hạt so với Hiệu suất của bộ lắng ống nghiêng: Mô phỏng CFD tìm ra ngưỡng 80 μm

Bạn biết rằng thiết bị lắng dạng ống sẽ loại bỏ chất rắn lơ lửng. Nhưng bạn có biết kích thước nào nó thực sự loại bỏ được không - và kích thước nào sẽ lọt qua bất kể bể được thiết kế tốt như thế nào? Sử dụng mô phỏng CFD của thiết bị lắng ống nghiêng ngược dòng 1.000 m³/d thực tế ở tỉnh An Huy, các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa hành vi của các hạt từ30 đến 120 mmtrong điều kiện vận hành thực tế. Kết quả là một ngưỡng rõ ràng: dưới 80 μm, kích thước hạt hầu như không quan trọng để loại bỏ. Trên 80 μm, hiệu quả sẽ tăng lên. Nếu chất keo tụ của bạn không tạo ra các khối trên ngưỡng đó, thì các ống nghiêng của bạn sẽ không hoạt động như những gì bạn đã trả tiền.

TẠI SAO LÀ CFD - VÀ TẠI SAO LÀ XE TĂNG NÀY

Hầu hết các nghiên cứu về thiết bị lắng ống nghiêng đều tập trung vào mô hình dòng chảy - tối ưu hóa kích thước bể, giảm vùng chết, làm mịn phân bố vận tốc. Rất ít người đặt câu hỏi quan trọng nhất đối với chất lượng nước thải:đưa ra một phân bố kích thước hạt cụ thể, những gì thực sự được loại bỏ?Do các hạt có đường kính khác nhau có vận tốc lắng khác nhau nên sự phân bố kích thước hạt của chất rắn lơ lửng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả lắng mà bể có thể đạt được.

Để trả lời điều này, các nhà nghiên cứu đã sử dụngmô hình nhiễu loạn k-ε tiêu chuẩn(đối với trường dòng chảy) kết hợp vớiMô hình đa pha hỗn hợp(đối với trạng thái hai pha rắn-lỏng) - một sự kết hợp rất phù hợp để mô phỏng dòng chảy hỗn loạn, chứa đầy hạt bên trong thiết bị lắng ống vận hành.

Trường hợp thử nghiệm là một thiết bị lắng ống nghiêng ngược dòng thực tế tại một nhà máy nước ở tỉnh An Huy, với các thông số thiết kế và vận hành sau:

KẾT QUẢ 1: NƠI CÁC HẠT TẬP TRUNG - VÀ TẠI SAO NÓ QUAN TRỌNG

Năm đường kính hạt được mô phỏng:30, 50, 80, 100 và 120 mm. Đối với mỗi loại, sự phân bố theo chiều dọc của chất rắn lơ lửng được kiểm tra bằng cách vẽ biểu đồ phần thể tích trung bình trên mặt cắt ngang ở các độ cao khác nhau (Hình 2).

Ba mẫu xuất hiện từ hồ sơ nồng độ:

1. Tất cả các kích thước hạt đều theo cùng một xu hướng chung.Hình dạng tổng thể của đường cong nồng độ so với chiều cao là tương tự nhau bất kể đường kính. Đặc tính vật lý của bể - cấu trúc bốn vùng, đường dẫn dòng chảy, mô hình nhiễu loạn - áp đặt một đặc tính nồng độ chung.

2. Tại đầu vào ống (cao ~1,5 m), nồng độ tăng đột biến đối với các hạt lớn hơn.Đây là vùng chuyển tiếp nơi dòng chảy đi vào các ống nghiêng. Sự nhiễu loạn và pha trộn tạo ra một vùng nồng độ cao thúc đẩy sự tiếp xúc của các hạt và tạo bông - một tác động tích cực cho việc tách chất rắn-lỏng. Các hạt đi vào vùng này càng lớn thì nồng độ càng tăng đột biến.

3. Ở đáy bể và mặt cắt ngang của nước thải, kích thước hạt quyết định kết quả.Gần vùng bùn, phần thể tích trung bình tăng theo kích thước hạt - nhiều hạt lớn hơn sẽ lắng xuống và tích tụ ở nơi cần thiết. Tại mặt cắt ngang nước thải, phần thể tích trung bìnhgiảmkhi kích thước hạt tăng lên - ít hạt lớn thoát ra hơn. Mối tương quan là rõ ràng:hạt lớn hơn → lắng nhiều hơn → nước thải sạch hơn.

KẾT QUẢ 2: NGƯỠNG 80 μm

Hiệu suất loại bỏ η được định nghĩa là:

ở đâu C_{cửa vào}là nồng độ SS ảnh hưởng (kg/m³) và C_{chỗ thoát}là nồng độ SS nước thải (kg/m³).

Hình 3 cho thấy mối quan hệ giữa hiệu quả loại bỏ và đường kính hạt trong các điều kiện dòng vào nhất định (295 mg/L SS, mật độ 1.050 kg/m³, độ nhớt 0,02001 Pa·s). Đường cong không tuyến tính - nó có đầu gối rõ ràng.

Dữ liệu cho thấy hai chế độ:

Lý do là do thủy lực: các hạt dưới 80 μm có vận tốc lắng đủ thấp để dòng chảy đi lên trong ống có thể mang chúng đi, bất kể bể được thiết kế tốt như thế nào. Trên 80 μm, tốc độ lắng vượt quá tốc độ đi lên bằng biên độ mở rộng và việc loại bỏ trở nên hiệu quả. Ngưỡng 80 μm dành riêng cho hình dạng và điều kiện vận hành của bể này (đường kính ống 40 mm, độ nghiêng 60 độ, vận tốc đầu vào 0,1 m/s) - nhưng nguyên tắc này được áp dụng rộng rãi:mỗi thiết bị lắng trong ống đều có kích thước hạt tới hạn mà ở dưới mức đó khả năng loại bỏ kém và kích thước đó được xác định bởi vận tốc đi lên trong ống.

ĐIỀU NÀY CÓ Ý NGHĨA GÌ CHO CÂY CỦA BẠN

1. Liều lượng chất đông máu có mục tiêu là 80 μm.Mục đích của quá trình đông tụ và tạo bông - ngoài việc trung hòa điện tích và các hạt cầu nối - là phát triển các khối kết tụ vượt quá kích thước tới hạn mà thiết bị lắng ống có thể thu giữ chúng. Thử nghiệm bình phải xác nhận rằng các bông cặn hình thành của bạn vượt quá đường kính ngưỡng đối với hình dạng bể cụ thể của bạn.

2. Nếu nước thải của bạn đục và kích thước khối bông dưới ngưỡng, thì các ống không phải là vấn đề - đó là giai đoạn keo tụ.Việc thêm nhiều ống hơn hoặc giảm tốc độ đi lên sẽ giúp ích không đáng kể. Nhưng giải pháp thực sự nằm ở thượng nguồn: keo tụ tốt hơn để tạo ra các hạt lớn hơn, đậm đặc hơn mà các ống hiện có có thể thu được.

3. Kích thước tới hạn tùy theo từng loại xe tăng.Mô phỏng này cho thấy 80 μm đối với ống 40 mm ở góc 60 độ với vận tốc đầu vào 0,1 m/s. Đường kính ống nhỏ hơn, góc phẳng hơn hoặc vận tốc hướng lên thấp hơn sẽ dịch chuyển ngưỡng xuống - nghĩa là các hạt nhỏ hơn có thể tháo rời được. Đây là lý do tại sao hình dạng ống và tải trọng thủy lực không chỉ là các thông số thiết kế; họ trực tiếp đặt kích thước hạt tối thiểu mà người định cư của bạn có thể xử lý.

4. Mô phỏng CFD là một công cụ thiết kế thực tế, không phải là một bài tập học thuật.Sự kết hợp mô hình hỗn hợp k-ε + được sử dụng ở đây có thể dự đoán, đối với bất kỳ hình dạng bể và điều kiện vận hành nào, đường cong hiệu quả loại bỏ kích thước hạt. Trước khi xây dựng hoặc trang bị thêm, mô phỏng có thể trả lời câu hỏi mà các quy tắc thiết kế thực nghiệm không thể:bể này có loại bỏ các hạt trong nước thô của tôi không?