ขนาดอนุภาคเทียบกับประสิทธิภาพตัวตกตะกอนของท่อแบบเอียง: การจำลอง CFD ค้นหาเกณฑ์ที่ 80 μm

คุณคงทราบดีอยู่แล้วว่าไม้ตายแบบท่อจะกำจัดสารแขวนลอยออก แต่คุณรู้หรือไม่ว่าขนาดใดที่จะกำจัด - ได้จริง และขนาดใดที่ผ่านไปได้ ไม่ว่าถังจะได้รับการออกแบบมาดีแค่ไหนก็ตาม การใช้การจำลอง CFD ของตัวนับ 1,000 m³/d จริง-ตัวตั้งถิ่นฐานในท่อเอียงในปัจจุบันในมณฑลอันฮุย นักวิจัยได้จำลองพฤติกรรมของอนุภาคจาก30 ถึง 120 ไมโครเมตรภายใต้สภาพการใช้งานจริง ผลลัพธ์ที่ได้คือเกณฑ์ที่ชัดเจน: ต่ำกว่า 80 μm ขนาดอนุภาคแทบไม่สำคัญสำหรับการกำจัด สูงกว่า 80 μm ประสิทธิภาพจะลดลง หากสารตกตะกอนของคุณไม่สร้างฟองเกินกว่าเกณฑ์ดังกล่าว แสดงว่าท่อเอียงของคุณไม่ได้เป็นไปตามที่คุณจ่ายไป

ทำไมต้อง CFD - และทำไมถึงเป็นรถถังนี้

การศึกษาส่วนใหญ่เกี่ยวกับผู้ตั้งถิ่นฐานในท่อลาดเอียงมุ่งเน้นไปที่รูปแบบการไหล - การปรับขนาดของถังให้เหมาะสม ลดจุดบอด และทำให้การกระจายความเร็วราบรื่นขึ้น มีเพียงไม่กี่คนที่ถามคำถามที่สำคัญที่สุดต่อคุณภาพน้ำทิ้ง:เมื่อพิจารณาถึงการกระจายขนาดอนุภาคโดยเฉพาะ จริงๆ แล้วอะไรจะถูกกำจัดออกไป?เนื่องจากอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันมีความเร็วการตกตะกอนที่แตกต่างกัน การกระจายขนาดอนุภาคของของแข็งแขวนลอยที่มีอิทธิพลจะควบคุมประสิทธิภาพการตกตะกอนที่ถังสามารถทำได้โดยตรง

เพื่อตอบคำถามนี้ นักวิจัยจึงใช้แบบจำลองความปั่นป่วน k-ε มาตรฐาน(สำหรับสนามการไหล) ประกอบกับแบบจำลองหลายเฟสของส่วนผสม(สำหรับพฤติกรรมสองเฟสของของแข็ง-ของเหลว-) - เป็นการรวมกันที่ดี-ซึ่งเหมาะสมกับการจำลองกระแสปั่นป่วนและอนุภาค-ที่เต็มไปด้วยภาระภายในไม้ตายในหลอดปฏิบัติการ

กรณีทดสอบคือไม้ตายท่อเอียง-ในปัจจุบันที่โรงประปาในมณฑลอันฮุย โดยมีการออกแบบและพารามิเตอร์การทำงานดังต่อไปนี้:

ผลลัพธ์ 1: อนุภาคมีความเข้มข้นที่ไหน - และเหตุใดจึงสำคัญ

เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคห้าขนาดถูกจำลอง:30, 50, 80, 100 และ 120 ไมโครเมตร. สำหรับแต่ละรายการ มีการตรวจสอบการกระจายตัวในแนวตั้งของของแข็งแขวนลอยโดยการวางแผนเศษส่วนปริมาตรเฉลี่ยบนหน้าตัด-ที่ความสูงต่างกัน (รูปที่ 2)

รูปแบบความเข้มข้นสามรูปแบบเกิดขึ้นจากโปรไฟล์ความเข้มข้น:

1. ขนาดอนุภาคทั้งหมดเป็นไปตามแนวโน้มทั่วไปที่เหมือนกันรูปร่างโดยรวมของเส้นโค้งความเข้มข้น-กับ-ความสูงจะคล้ายกันโดยไม่คำนึงถึงเส้นผ่านศูนย์กลาง ฟิสิกส์ของถัง - โครงสร้างสี่-โซน เส้นทางการไหล รูปแบบความปั่นป่วน - กำหนดโปรไฟล์ความเข้มข้นร่วมกัน

2. ที่ทางเข้าของท่อ (สูง ~ 1.5 ม.) ความเข้มข้นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วสำหรับอนุภาคขนาดใหญ่นี่คือโซนเปลี่ยนผ่านที่กระแสไหลเข้าสู่ท่อที่มีความลาดเอียง ความปั่นป่วนและการผสมทำให้เกิด-บริเวณความเข้มข้นสูงที่ส่งเสริมการสัมผัสของอนุภาคและการตกตะกอน - ซึ่งส่งผลเชิงบวกต่อการแยกของแข็งและของเหลว ยิ่งอนุภาคเข้าสู่โซนนี้มากเท่าใด ความเข้มข้นก็จะยิ่งเด่นชัดมากขึ้นเท่านั้น

3. ที่ด้านล่างถังและส่วนตัดขวางของน้ำทิ้ง- ขนาดอนุภาคเป็นตัวขับเคลื่อนผลลัพธ์ใกล้กับโซนตะกอน เศษส่วนปริมาตรเฉลี่ยจะเพิ่มขึ้นตามขนาดอนุภาค - อนุภาคขนาดใหญ่กว่าจะเกาะตัวและสะสมในตำแหน่งที่ควรจะเป็น ที่ส่วนตัดขวางของไหลทิ้ง- คือเศษส่วนปริมาตรเฉลี่ยลดลงเมื่อขนาดอนุภาคเพิ่มขึ้น - อนุภาคขนาดใหญ่จะหลุดออกไป ความสัมพันธ์ไม่คลุมเครือ:อนุภาคขนาดใหญ่ → ตะกอนมากขึ้น → น้ำทิ้งที่สะอาดยิ่งขึ้น.

ผลลัพธ์ 2: เกณฑ์ 80 μm

ประสิทธิภาพการกำจัด η ถูกกำหนดเป็น:

ที่ไหน C_{ทางเข้า}คือความเข้มข้นของ SS ที่มีอิทธิพล (กก./ลบ.ม.) และ C_{ทางออก}คือความเข้มข้นของ SS ของน้ำทิ้ง (กก./ลบ.ม.)

รูปที่ 3 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพในการกำจัดและเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคภายใต้สภาวะอิทธิพลที่กำหนด (SS 295 มก./ลิตร ความหนาแน่น 1,050 กก./ลบ.ม. ความหนืด 0.02001 Pa·s) เส้นโค้งไม่เป็นเส้นตรง - แต่มีหัวเข่าที่ชัดเจน

ข้อมูลเผยให้เห็นสองระบอบการปกครอง:

เหตุผลก็คือระบบไฮดรอลิก: อนุภาคที่มีขนาดต่ำกว่า 80 μm มีความเร็วตกตะกอนต่ำเพียงพอที่การไหลขึ้นในท่อจะสามารถพาพวกมันออกไปได้ ไม่ว่าถังจะได้รับการออกแบบมาดีแค่ไหนก็ตาม ที่สูงกว่า 80 μm ความเร็วตกตะกอนจะแซงหน้าความเร็วขาขึ้นด้วยระยะขอบที่กว้างขึ้น และการกำจัดออกจะมีผล เกณฑ์ขั้นต่ำ 80 μm นั้นเฉพาะเจาะจงกับรูปทรงและสภาพการทำงานของถังนี้ (เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 40 มม. ความเอียง 60 องศา ความเร็วทางเข้า 0.1 ม./วินาที) - แต่หลักการนำไปใช้อย่างกว้าง ๆ:ไม้ตายหลอดทุกตัวมีขนาดอนุภาควิกฤติด้านล่างซึ่งการกำจัดทำได้ไม่ดี และขนาดนั้นจะถูกกำหนดโดยความเร็วที่สูงขึ้นในหลอด.

สิ่งนี้มีความหมายต่อโรงงานของคุณอย่างไร

1. การให้ยาตกตะกอนมีเป้าหมายคือ 80 μmจุดประสงค์ของการแข็งตัวและการตกตะกอน - นอกเหนือจากการทำให้ประจุเป็นกลางและการเชื่อมอนุภาค - คือการทำให้ฟลคเติบโตจนเกินขนาดวิกฤตที่ไม้ตายหลอดสามารถจับพวกมันได้ การทดสอบขวดควรยืนยันว่า floc ที่ขึ้นรูปของคุณมีขนาดเกินเส้นผ่านศูนย์กลางเกณฑ์สำหรับรูปทรงถังเฉพาะของคุณ

2. หากน้ำทิ้งของคุณขุ่นและขนาดตะกอนต่ำกว่าเกณฑ์ ท่อจะไม่ใช่ปัญหา - ขั้นตอนการตกตะกอนการเพิ่มท่อมากขึ้นหรือลดความเร็วขาขึ้นจะช่วยได้เล็กน้อย แต่การแก้ไขที่แท้จริงอยู่ที่ต้นน้ำ: การตกตะกอนที่ดีขึ้นเพื่อสร้างอนุภาคที่ใหญ่ขึ้นและหนาแน่นขึ้นซึ่งหลอดที่มีอยู่สามารถจับได้

3. ขนาดวิกฤติเป็นขนาดเฉพาะเจาะจง-การจำลองนี้พบ 80 ไมโครเมตร สำหรับท่อขนาด 40 มม. ที่ 60 องศา ด้วยความเร็วขาเข้า 0.1 เมตร/วินาที เส้นผ่านศูนย์กลางของท่อที่เล็กกว่า มุมที่แบนกว่า หรือความเร็วที่สูงขึ้นที่ต่ำลงจะทำให้เกณฑ์ขั้นต่ำเลื่อนลง - ซึ่งหมายความว่าอนุภาคขนาดเล็กสามารถถอดออกได้ นี่คือสาเหตุที่รูปทรงของท่อและการโหลดแบบไฮดรอลิกไม่ได้เป็นเพียงพารามิเตอร์การออกแบบเท่านั้น พวกเขากำหนดขนาดอนุภาคขั้นต่ำที่ไม้ตายของคุณสามารถจัดการได้โดยตรง

4. การจำลอง CFD เป็นเครื่องมือการออกแบบที่ใช้งานได้จริง ไม่ใช่แบบฝึกหัดเชิงวิชาการการผสมผสานแบบจำลอง k-ε + ส่วนผสมที่ใช้ในที่นี้สามารถทำนายกราฟขนาดอนุภาค–ประสิทธิภาพการกำจัด สำหรับรูปทรงของถังและสภาพการทำงานใดๆ ก่อนที่จะสร้างหรือดัดแปลง การจำลองสามารถตอบคำถามที่กฎการออกแบบเชิงประจักษ์ไม่สามารถ:ถังนี้จะกำจัดอนุภาคในน้ำดิบของฉันหรือไม่?