Dimensioni delle particelle rispetto all'efficienza del sedimentatore a tubo inclinato: la simulazione CFD trova la soglia di 80 μm

Sai che un sedimentatore a tubo rimuove i solidi sospesi. Ma sai quali dimensioni rimuove effettivamente - e quali dimensioni passano indipendentemente da quanto bene è progettato il serbatoio? Utilizzando la simulazione CFD di un vero sedimentatore a tubo inclinato da 1.000 m³/giorno contro{4}}corrente nella provincia di Anhui, i ricercatori hanno modellato il comportamento delle particelle provenienti dada 30 a 120 µmnelle condizioni operative effettive. Il risultato è una soglia chiara: al di sotto di 80 μm, la dimensione delle particelle è poco importante per la rimozione. Sopra gli 80 μm l'efficienza decolla. Se il tuo coagulante non produce fiocchi al di sopra di tale soglia, i tuoi tubi inclinati non stanno facendo quello per cui hai pagato.

PERCHÉ CFD - E PERCHÉ QUESTO SERBATOIO

La maggior parte degli studi sui sedimentatori a tubi inclinati si concentrano sui modelli di flusso - ottimizzando le dimensioni del serbatoio, riducendo le zone morte e uniformando la distribuzione della velocità. Pochi hanno posto la domanda più importante per la qualità degli effluenti:data una specifica distribuzione granulometrica, cosa viene effettivamente rimosso?Poiché le particelle di diametro diverso hanno velocità di sedimentazione diverse, la distribuzione granulometrica dei solidi sospesi influenti controlla direttamente l'efficienza di sedimentazione che il serbatoio può raggiungere.

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno utilizzato il filemodello di turbolenza k-ε standard(per il campo di flusso) accoppiato con ilModello multifase della miscela(per il comportamento bifase solido-liquido) - una combinazione ben-adatta a simulare il flusso turbolento e carico di particelle-all'interno di un sedimentatore a tubo funzionante.

Il caso di prova era un vero e proprio colonnino a tubo inclinato contro{0}}corrente presso un acquedotto nella provincia di Anhui, con i seguenti parametri di progettazione e funzionamento:

RISULTATO 1: DOVE SI CONCENTRANO LE PARTICELLE - E PERCHÉ È IMPORTANTE

Sono stati simulati cinque diametri delle particelle:30, 50, 80, 100 e 120 μm. Per ciascuno, la distribuzione verticale dei solidi sospesi è stata esaminata tracciando la frazione volumetrica media su sezioni trasversali-a diverse altezze (Figura 2).

Dai profili di concentrazione emergono tre modelli:

1. Tutte le dimensioni delle particelle seguono la stessa tendenza generale.La forma complessiva della curva concentrazione-rispetto-altezza è simile indipendentemente dal diametro. La fisica del serbatoio - la struttura a quattro-zone, il percorso del flusso, il modello di turbolenza - impone un profilo di concentrazione comune.

2. All'ingresso del tubo (~ 1,5 m di altezza), la concentrazione aumenta bruscamente per le particelle più grandi.Questa è la zona di transizione in cui il flusso entra nei tubi inclinati. La turbolenza e la miscelazione creano una regione ad alta-concentrazione che promuove il contatto delle particelle e la flocculazione - un effetto positivo per la separazione solido-liquido. Più grandi sono le particelle che entrano in questa zona, più pronunciato sarà il picco di concentrazione.

3. Sul fondo del serbatoio e nella sezione trasversale dell'effluente-, la dimensione delle particelle determina il risultato.Vicino alla zona dei fanghi, la frazione volumetrica media aumenta con la dimensione delle particelle - particelle più grandi si depositano e si accumulano dove dovrebbero. Nella sezione trasversale dell'effluente-, la frazione volumetrica mediadiminuisceman mano che la dimensione delle particelle aumenta, fuoriescono - meno particelle grandi. La correlazione è inequivocabile:particelle più grandi → più depositi → effluenti più puliti.

RISULTATO 2: LA SOGLIA DI 80 μm

L’efficienza di rimozione η è definita come:

dove C_ingressoè la concentrazione di SS influente (kg/m³) e C_presaè la concentrazione di SS dell'effluente (kg/m³).

La Figura 3 mostra la relazione tra l'efficienza di rimozione e il diametro delle particelle nelle condizioni di afflusso date (295 mg/L SS, densità 1.050 kg/m³, viscosità 0,02001 Pa·s). La curva non è lineare - ha un ginocchio distinto.

I dati rivelano due regimi:

Il motivo è idraulico: le particelle inferiori a 80 μm hanno velocità di sedimentazione sufficientemente basse da consentire al flusso ascendente nei tubi di trasportarle, indipendentemente da quanto bene sia progettato il serbatoio. Al di sopra di 80 μm, la velocità di sedimentazione supera la velocità di salita con un margine sempre più ampio e la rimozione diventa effettiva. La soglia di 80 μm è specifica per la geometria e le condizioni operative di questo serbatoio (diametro del tubo di 40 mm, inclinazione di 60 gradi, velocità di ingresso di 0,1 m/s) - ma il principio si applica ampiamente:ogni sedimentatore a tubo ha una dimensione critica delle particelle al di sotto della quale la rimozione è scarsa e tale dimensione è determinata dalla velocità verso l'alto nei tubi.

COSA SIGNIFICA PER IL TUO IMPIANTO

1. Il dosaggio del coagulante ha un obiettivo ed è 80 μm.Lo scopo della coagulazione e della flocculazione - oltre alla neutralizzazione della carica e al collegamento delle particelle - è quello di far crescere i fiocchi oltre la dimensione critica in cui il sedimentatore del tubo può catturarli. Il test del vaso dovrebbe confermare che i fiocchi formati superano il diametro soglia per la geometria specifica del serbatoio.

2. Se l'effluente è torbido e la dimensione dei fiocchi è inferiore alla soglia, i tubi non sono il problema - lo è la fase di flocculazione.Aggiungere più tubi o ridurre la velocità verso l'alto aiuterà marginalmente. Ma la vera soluzione è a monte: una migliore flocculazione per produrre particelle più grandi e dense che i tubi esistenti possono catturare.

3. La dimensione critica è specifica del serbatoio-.Questa simulazione ha rilevato 80 μm per un tubo da 40 mm a 60 gradi con una velocità di ingresso di 0,1 m/s. Un diametro del tubo più piccolo, un angolo più piatto o una velocità verso l'alto inferiore sposterebbero la soglia verso il basso -, il che significa che le particelle più piccole diventerebbero rimovibili. Questo è il motivo per cui la geometria del tubo e il carico idraulico non sono solo parametri di progettazione; impostano direttamente la dimensione minima delle particelle che il tuo colono può gestire.

4. La simulazione CFD è uno strumento di progettazione pratico, non un esercizio accademico.La combinazione del modello k-ε + Miscela utilizzata qui può prevedere, per qualsiasi geometria del serbatoio e condizione operativa, la curva dimensione delle particelle-efficienza di rimozione. Prima della costruzione o dell’adeguamento, la simulazione può rispondere alla domanda che le regole di progettazione empirica non possono:questo serbatoio rimuoverà le particelle nella mia acqua non depurata?