تازه ترین عناوین
بررسی پارامترهای موثر درفرایند ته نشینی و افزایش عملکرد کلاریفایربا استفاده از دینامیک سیالات محاسباتیCFD
استفاده بهینه از آب وکاهش مصرف آن در صنایع مختلف از هر طریقی که امکان پذیر باشد منافع فراوانی را هم برای خود صنعت و هم برای جامعه و اقتصاد کشور در بر خواهد داشت. یکی از معمول ترین روشهای تصفیه آب های صنعتی فرایند ته نشینی می باشد، که برای ته نشینی یا جداسازی ذرات جامد از آب جاری از تانک ته نشینی که کلاریفایر نامیده می شود، استفاده می شود.

به گزارش  چیلان ، استفاده بهینه از آب وکاهش مصرف آن در صنایع مختلف از هر طریقی  که امکان پذیر باشد منافع فراوانی را هم برای خود صنعت و هم برای جامعه و اقتصاد کشور در بر خواهد داشت. یکی از معمول ترین روشهای تصفیه آب های صنعتی فرایند ته نشینی  می باشد، که برای ته نشینی یا جداسازی ذرات جامد از آب جاری از تانک ته نشینی که کلاریفایر نامیده می شود، استفاده می شود. کلاریفایرها  از مراکز اصلی تصفیه آب و فاضلاب می باشد و افزایش عملکرد کلاریفایرها در فرایند تصفیه آب نقش بسزایی دارد. در این مطالعه علاوه بر بررسی عوامل موثر بر ته نشینی: فاکتورهای موثر بر فاز جامد از جمله غلظت و دانسیته مواد جامد و تاثیرآنها بر سرعت ته نشینی، فاکتورهای موثر بر فاز مایع ازجمله تغییرات دما و PH، فاکتورهای موثر بر ساختارکلاریفایر از جمله ساختار هندسی کلاریفایر و بررسی محاسباتی افزایش کارایی کلاریفایر از طریق اصلاح هندسی کلاریفایر درناحیه ورودی آب با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته شده است. شبیه سازی کلاریفایر با استفاده از  (CFD) محتملا پیشرفته ترین زمینه محاسباتی در میان سایر مباحث تصفیه آب می باشد، در این مطالعه نیز تاثیرساختار لوله ورودی بر توزیع سرعت جریان آب، شدت تلاطم و توزیع عدد رینولدز  با استفاده از برنامه انسیس فلوئنت مورد توجه قرار گرفته است.

  • مقدمه

فرایند ته نشینی مواد یا زلال سازی یکی از ساده ‌ترین روش های جداسازی مواد جامد از سیال می‌باشد که از لحاظ  اقتصادی نیز مقرون به صرفه می باشد. فرایند ته نشینی و روش های کاربردی و تجهیزات مربوط به ته نشینی در حوضچه های تصفیه آب وفاضلاب از اصول مشابهی پیروی می کند. به طور کلی در فرایند ته نشینی از طریق کاهش  سرعت جریان آب، به ذرات اجازه داده می شود تا براساس وزن ته نشینی شوند تا از جریان آب وارد شده به حوضچه قبل ازخروج  آن از قسمت سرریز خروجی حذف شوند. فرایند ته نشینی بر اساس غلظت ذرات  و میزان برخورد آنها به چهار نوع تقسیم می شود[۱] .ته نشینی نوع اول: این نوع ته نشینی زمانی رخ می دهد که مواد جامد داخل حوضچه غلظت کمتری  داشته باشد و ذرات معلق هیچ نوع برهم کنش داخلی باهم نداشته باشند وهرکدام از ذرات به صورت مستقل و با سرعت مخصوص خود ته نشین می شوند. ته نشینی در این حالت از قانون استوکس پیروی می کند. مطابق با این قانون همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است. سرعت ته نشینی ذره متشکل از دو بردار سرعت عمودی مربوط به نیروی جاذبه زمین و بردار سرعت افقی سرعت جریان آب می باشد. سرعت ته نشینی براساس قانون استوکس از رابطه زیر به دست می آید.

براساس این رابطه:با کاهش ویسکوزیته (µ) از طریق افزایش دما، افزایش قطر ذرات(d) و افزایش اختلاف چگالی بین فازها با رقیق کننده ها. ته نشینی نوع دوم: در این حالت هیچ قاعده و قانون خاصی برای ته نشین شدن ذرات وجود ندارد و زمانی که غلظت مواد کم باشد و ذرات در طول عمل ته نشینی قابلیت متصل شدن به یکدیگر را داشته باشند و در طی این اتصال وزن ذرات افزایش یافته و درنتیجه سریعتر و به صورت لخته ته نشین می شوند. ته نشینی نوع سوم: در ته نشینی نوع سوم یا ته نشینی ناحیه ای غلظت مواد جامد افزایش می یابد و ذرات به هم نزدیک می شوند و نسبت به یکدیگر در وضعیت ثابتی باقی می مانند و با سرعت ثابتی باهم ته نشین می شوند. در  این نوع ته نشینی ذرات متصل تمایل به ته نشینی در یک ناحیه یا لایه را دارند. در این حالت غلظت مواد به قدری افزایش می‌یابد که مایع تمایل دارد از بین منافذ ریز ذرات متصل به طرف بالا حرکت نماید در نتیجه هنگام ته نشینی ذرات در این ناحیه یک‌لایه نسبتاً تمیز آب در بالای این ذرات در ناحیه ته نشینی ایجاد می‌شود. ته نشینی نوع چهار: ته نشینی نوع چهاریا ته نشینی متراکم در این نوع ته نشینی غلظت ذرات به قدری زیاد است که ذرات با هم در تماس هستند وته نشینی آنها از طریق تراکم توده های فشرده صورت می گیرد. عمل تراکم در اثر افزایش وزن ذراتی که به‌طور ثابت توسط عمل ته نشینی از مایع شناور به جسم متراکم افزوده می‌شوند، صورت می‌پذیرد.

روند جداسازی مخلوط مایع و جامد تحت تأثیر بسیاری از عوامل مرتبط با آن است هم اجزای جامد و مایع و هم پارامترهای ساختاری کلاریفایر در روند جداسازی موثر است. دربرخی از کلاریفایرها آب سطحی حاوی ذرات معلق  است و این نشان می دهد ذرات جامد نتوانسته اند به خوبی  ته نشین شوند، استفاده از فلوکولانت بیش از حد هم گاهی اوقات هم باعث افزایش هزینه عملیاتی  وهم افزایش  مشکلات عملیاتی می گردد

علاوه  بر آن  گاهی اوقات با افزایش فلوکولانت عملکرد کلاریفایر رضایت بخش نیست. یک فرضیه برای علت اصلی این مسئله طراحی نامتعارف  ناحیه  ورودی آب  می باشد. یک منبع تغذیه مطلوب جریان آب را به صورت یکنواخت و متقارن به داخل کلاریفایر توزیع می کند، تا فرایند جداسازی وته نشینی مواد جامد را تسهیل کند. مطالعات زیادی در زمینه حذف ذرات معلق با حداقل هزینه صورت گرفته است. عوامل زیادی می تواند در حذف ذرات معلق موثرباشد.از جمله طراحی هیدرولیکی کلاریفایر از اهمیت بالایی برخورداراست . به دلیل هزینه بسیار بالای ساخت و نگهداری این حوضچه ها، عملکرد بهینه حوضچه های ته نشینی بسیارحائز اهمیت است. اولین نظریه علمی که به طور گسترده معیار اصلی در طراحی مخازن ته نشینی مورد استفاده قرار گرفت مربوط  به Hazen (1904) می باشد. که مفهوم میزان سرریز را پیشنهاد می کند که بیان می کند زمان احتباس هیدرولیکی باید برابر با زمان ته نشینی ذرات باشد. در طی چند دهه اخیربه منظور  توسعه و بهبود در طراحی تجهیزات فرایند ته نشینی و برای اجتناب از مصرف انرژی و زمان برای انجام  آزمایش های تجربی استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی گسترش پیدا کرده است.

دینامیک سیالات محاسـباتی ازچندین الگوریتم و روش جهت رسیدن به جواب استفاده می کند، ولی در تمامی موارد، دامنه مساله را به تعداد زیادی المان کوچک تر از مدل اصلی تقسیم می کنند و برای هر یک از این اجزاء مساله را حل میکنند. . دینامیک سیالات محاسباتی  یک روش عددی بر مبنای کامپیوتر است وبر پایه معادلات مشخصه دینامیک سیالات استوار است، این معادلات شامل بقای جرم، ممنتوم و انرژی است جای گذاری عبارت جبری جای معادلات انتگرالی و دیفرانسیلی معادلات نام برده است. تمام مدل‌های تئوری موجود در دینامیک سیالات با استفاده از معادلات ناویر استوکس به صورت دقیق توصیف می شود. این معادلات نحوه جاری شدن جریان سیال ویسکوز را نشان می‌دهند. معادلات معروف ناویر استوکس توسط دانشمندان به نام‌ ناویر  و استوکس  بیان گردید.

ازجمله معادلات حاکم بر دینامیک سیالات محاسباتی و معادلات ناویر استوکس ، حضور دو دیدگاه اویلر و لاگرانژ در مکانیک سیالات است. دیدگاه لاگرانژی، خواص یک ذره سیال به اندازه کافی بزرگ را دنبال می‌کند. در این حالت، موقعیت اولیه در زمان t۰ و موقعیت نهایی در زمان t۱ باید محاسبه شوند ولی دنبال کردن میلیون‌ها ذره جدا از هم در یک جریان سیال، امری غیر ممکن است. در روش دوم یعنی روش اویلری، ذرات به صورت مجزا دنبال نمی‌شوند و به جای آن، میدان سرعت به صورت تابعی از مکان و زمان مورد مطالعه قرار می‌گیرد مدلهای  دینامیـــک سیالات محاسباتی می توانند برای کلاریفایرهای ثانویـه به منظور شبیه سازی هیدرودینامیک سیال مورد استفاده قرار گیرند. بخصوص در ۳۰ سال اخیر، پیشـرفتهـای قابـــل تـــوجهی در دینامیـــک ســـیالات محاســـباتی صـورت گرفتـه که امکـان ارائـه میـدانهـای سـرعت وغلظـت را بـه صورت چند بعدی فراهم می کند. در واقع به کمک دینامیک سیالات محاسباتی تمام شبیه‌سازی‌ها در مکانیک سیالات را می‌توان انجام داد و این روش کمک بسیار زیادی به طراحی ابزار و تجهیزات مختلف و بهینه‌سازی آن‌ها کرده است.

نخسـتین مطالعـه بـرروی  کلاریفایرهای نهایی بر مبنای اصول دینامیـــک سیالات محاسباتی ، توسط لارسن صورت گرفت . وی شبیه سازی عـددی دو بعدی را بـرای کلاریفـایر ثانویـه در شـرایط آب و یـاغلظت جامدات خیلی کم بـه طـوری کـه بتـوان تـاثیرجامدات را در میدان جریان نـاچیز شـمرد، انجـام داد.

عدد رینولدز دریک جریان نسبت اندازه ی نیروی اینرسی به ویسکوزیته سیال را نشان می دهد. نتایج بدست آمده  از آزمایش  روی سیستم های سیال حاکی از آن است  که در اعداد رینولدز پایین تر از به اصطلاح بحرانی تمایل جریان به داشتن الگویی آرام و لایه ای می باشد و اگر شرایط مرزی با زمان تغییر نکند جریان دائمی است در حالیکه در اعداد  در رینولدز بالاتر از بحرانی یکسری حوادث اتفاق می افتد که نهایتا سبب تغییرات جدی در رفتار جریان می شود. در نهایت رفتار جریان نامنظم شده و حتی باشرایط مرزی ثابت حرکت کامل غیردائمی می شود. سرعت و سایر خواص جریان به صورت تصادفی و نامنظم تغییر می کند. این منطقه ناحیه جریان آشفته نیز نامیده می شود.

 

  • بحث و بررسی

۲فاکتورهای موثر در جداسازی فاز جامد-مایع در کلاریفایر

۲-۱-۱ فاکتورهای موثر بر  فاز جامد: اندازه ذرات: اندازه و نوع ذراتی که باید از آب حذف شوند تأثیر قابل توجهی در عملکرد کلاریفایر دارند. طوری که ذرات درشت تمایل دارند که با حرکت رو به پایین در پایین کلاریفایر ته نشین  شوند ، در حالی که ذرات ریزتردر جریان سرریز به حرکت در می آیند. شکل ذره: شکل ذره نیز بر خصوصیات ته نشینی آن تأثیر می گذارد. برای مثال یک ذره گرد خیلی راحت تر از ذره ای که لبه های آن نامنظم است ته نشین می شود . غلظت جامد معلق:  McNown و همکارانش درتحقیقات خود نشان دادند که افزایش غلظت ذرات منجر به کاهش میزان ته نشینی ذرات می شود  دانسیته ذرات: ذرات با دانسیته بالا تمایل زیادی به ته نشینی دارند و مستقیماً به ناحیه پایین کلاریفایر جریان می یابند، در حالی که ذرات با چگالی کم تمایل به شناور شدن دارند ودرقسمت سرریز جریان می یابند.

جهت بررسی تجربی تاثیرذرات جامد در فرایند ته نشینی، سه نوع مخلوط جامد-مایع از کلسیم کربنات،خاک رس آبی و خاک مورد بررسی قرار گرفت.برای تهیه غلظت های مشخص از هرکدام از مواد مقدارهای۱ گرم، ۲  گرم،۳ گرم، ۴ گرم و ۵ گرم از هر کدام از ذرات جامد را در ۵۰ میلی لیتر آب حل کرده تا محلولهای ۲، ۴، ۶، ۸، ۱۰ درصد از مواد مذکورتهیه گردد.اندازه ذرات کربنات کلسیم و خاک رس آبی ۰.۲ میلی متر و اندازه ذرات خاک ۰.۴ میلی متر می باشد. شکل ۲ مطابق قانون استوکس رابطه بین غلظت هرکدام از مواد جامد و میزان سرعت ته نشینی آنها را نشان می دهد.

و جدول ۱ رابطه بین غلظت مواد مورد آزمایش با دانسیته آنها را نشان می دهد. نتایج حاکی از آن است با افزایش غلظت مواد جامد سرعت ته نشینی آنها کاهش می یابد، همچنین سرعت ته نشینی در خاک بیشتر از کلسیم کربنات و کلسیم کربنات بیشتر از خاک رس آبی است. ومطابق نتایج جدول ۱ با افزایش دانسیته موادسرعت ته نشینی افزایش می یابد.نتایج بدست آمده با نتایج حاصل از مطالعات پیشین مطابقت دارد.

شکل ۲. رابطه بین غلظت مواد جامد وسرعت ته نشینی آنها در سوسپانسیون آب-کلسیم کربنات(a) سوسپانسیون آب-خاک رس آبی (b) سوسپانسیون آب-خاک (c)

-۱-۲فاکتورهای موثر بر  فاز مایع:

فرایند جداسازی مخلوط جامد-مایع تحت تاثیر عوامل مربوط به مایع شامل: دمای آب: مطابق با تحقیقات  Hazen [4].با کاهش دمای آب ، سرعت ته نشینی کندتر می شود.نتیجه این است که وقتی دمای  آب پایین است ، زمان ماندگاری درکلاریفایرباید افزایش یابد و تغییراتی در مقدار منعقد کننده برای جبران کاهش میزان ته نشینی داده شود.در بیشتر موارد، دما تأثیر قابل توجهی در تصفیه آب ندارد.عمل تصفیه آب درتابستان که دما بیشتر است بیشترین جریان آب را دارد و نرخ ته نشینی نیز بیشتر است و هنگامی که آب سردتر است، جریان آب درتانک ته نشینی کمترین مقداررا دارد در این صورت زمان ماندگاری درکلاریفایرباید افزایش یابد، بنابراین  ذرات فلوک زمان دارند تا در حوضچه رسوب ته نشین شوند.با افزایش دما ویسکوزیته آب هم کاهش می یابد.زمان اختلاط و زمان ماند مناسب نیزدر فرایند ته نشینی حائز اهمیت هستند .بررسی های تجربی در مورد تاثیر دما برشاخص حجم لجن(SVI)  در شکل ۳ نشان داده شده است.نتایج حاصل حاکی از آن است با افزایش دما از ۱۵ درجه سانتیگراد به ۳۵ درجه سانتیگراد مقدار شاخص حجم لجن از  mg/l40 به mg/l 130افزایش داشته است.

: PH PH یکی از عوامل مهم و موثردر فرایند ته نشینی محسوب می شود.  تاثیر یک منعقد کننده معمولا به میزان PH بستگی دارد. ومیزان  PH در انتخاب مواد شیمیایی از جمله انتخاب فلوکولانت، کنترل خوردگی و کنترل رسوب گذاری در مسیر لوله های آب اهمیت ویژه ای دارد یعنی انواع مختلف آب ها براساس PH خود، نیاز به منعقد کننده های مختلفی دارند. با توجه به نمودار  شکل ۴ جهت بررسی تاثیر PHبر سرعت ته نشینی  به عنوان نمونه تجربی ازنمونه های پالپ تهیه و با  PHبین ۷/۸ تا ۴۳/۱۱ سرعت ته نشینی مواد جامد اندازه گیری گردید( منحنی ته نشینی نمونه مورد نظر در PHهای مختلف رسم گردید و سرعت ته نشینی هر قسمت محاسبه گردید. با افزایش PH سرعت ته نشینی افزایش می یابد تا در ۳۷/۱۱  PH=به اوج خود می رسد و پس از آن مجددا از سرعت ته نشینی کاسته می شود .

غیر از عوامل با اهمیت دما و PH  عوامل دیگری نیز در فاز مایع درفرایند جداسازی فازجامد-مایع موثراست:ازجمله سرعت جریان آب: سرعت زیاد آب منجر به شکستن و جدا شدن ذرات لخته می شود ولی سرعت های پائین تر اجازه می دهند تا ذرات لخته ته نشین شوند. جریانات آب:چندین جریان آب می تواند در حوضچه ته نشینی رخ دهد، چگالی جریان ها می تواند در اثر وزن ذرات جامد، تراکم ذرات جامد و دمای آب باشد. جریانهای گردابی می تواند در اثرتغییرات در سرعت و میزان آب ورودی و خروجی از حوضچه ایجاد شود.

جریان های گردابی که توسط جریانات آب تولید می شوند می توانند از این نظر مفید باشند که رسوب ذرات را تقویت می کنند.با این حال، جریان ها نیز تمایل به توزیع ناهموار ذرات فلوکه شده و به همان میزان ته نشینی آنها  را درطول حوضچه را دارند. مسئله جریانات ایجاد شده با طراحی مناسب حوضچه و نصب بافل ها می تواند کاهش داده شود. بافل ها میتوانند از اتصالات کوتاه جریان حوضچه جلوگیری کنند.پتانسیل زتا : میزان بار موجود در مرز بین ذرات کدورت و آب حاوی آنها است. هر چه میزان بار بین ذارت بیشتر باشد میزان دافعه ی بین ذرات بیشتر و در نتیجه منعقد سازی کمتر انجام می گیرد در نقطه مقابل آن هر چه میزان بار کمتر باشد بین ذرات دافعه ی کمتری وجود داشته و در نتیجه منعقد سازی بهتر انجام می گیرد. هرچه پتانسیل زتا بالاتر باشد، میزان منعقد کننده ی بیشتری نیازخواهد بود.

۲-۱-۳- فاکتورهای موثر بر ساختارکلاریفایر:

هر تانک ته نشینی از چهار منطقه تشکیل شده است شکل ۵  که هر کدام دارای عملکرد خاصی هستند:الف- ناحیه ورودی:در این ناحیه جریان به صورت یکنواخت در معمولا درسطح مقطع عرضی حوض توزیع می شود. و جریان آب، ناحیه ورودی را به صورت افقی ترک می کند و در جهت خروجی حوض حرکت می کند.، ناحیه ته نشینی:در این ناحیه آب به آرامی به صورت افقی به سمت خروجی حرکت و ته نشینی ذرات معلق در این ناحیه رخ می دهد.، ناحیه لجن:در این ناحیه لجن ته نشین شده، انباشته شده و لجن وارد شده به این ناحیه از خروجی لجن خارج می شود.

کلاریفایرهای اولیه مخازن بازی هستند که به عنوان  عامل نگه داری  ذراتی که دارای قابلیت ته نشینیی ذرات  با ابعاد کوچکتر از ۰.۲ میلی متر که در مراحل اولیه حذف ذرات از آب جدا نشده اند را دارند

براساس جهت جریان جریان فاضلاب در کلاریفایر،می توان کلاریفایرها را به چهار  نوع مستطیلی، دایره ای، عمودی و مایل (لایه ای) طبقه بندی کرد که در عمل متداول ترین آنها از نوع مستطیلی و دایره ای است که شمای ایزومتریک هر کدام در شکل ۶ و۷  نشان داده شده است.مزیت حوض های مستطیلی همانا نیاز آنها به زمین کمتر و وجود دیواره های مشترک بین حوضچه ها می باشد که هزینه های ساختمانی را تقلیل می دهد.از طرفی حوضچه های مستطیلی شکل دارای معایبی نیز می باشند که اهم آنها عبارتند از :حساسیت آنها در مقابل تغییرات جریان فاضلاب خیلی بیشتر است ، نصب سرریز در آنها نیاز به هزینه های اضافی دارد. لجن روب این حوضچه در داخل فاضلاب قرار دارد که خاصیت خورندگی فاضلاب خیلی زودتر از موعد، آنها را فرسوده می سازد. در گوشه های استخر فضاهای مرده ایجاد گشته و در این گوشه ها حالت بی هوازی حاکم گشته و در نتیجه بوهای ناخوشایند در فضای تصفیه خانه منتشر می گردد. بنابراین به دلایل فوق اکثراً در انتخاب شکل حوضچه های ته نشینی، نوع دایره ای را بر نوع مستطیلی ارجح می دانند. حوضچه ته نشینی دایره ای به شکل مخزنی مدور است که فاضلاب از وسط آن به درون حوضچه تزریق می گردد. کف این حوضچه از شیبی در حدود ۸ درصد به طرف مرکز حوضچه برخوردار است .

یک لجن روب مکانیکی که روی یک محور حرکت می نماید لجن های ته نشین شده را جمع آوری و به چاله ای که در وسط حوضچه قرار گرفته است هدایت می نماید.قسمت عمده لجن روب از جمله پل و سیستم متحرک آن مانند الکتروموتور و گیربکس در خارج فاضلاب قراردارند و خاصیت خورندگی فاضلاب بر روی آنها تأثیری ندارد و این خود امتیاز بزرگی است، لذا در اکثر طرح ها توصیه می شود از حوض  ته نشینی مدور استفاده گردد.شکل ذیل شمائی از حوضچه ته نشینی مستطیلی و دایره ای شکل را نشان می دهد.

۳- افزایش عملکرد کلاریفایربا استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی :

در این قسمت از تحقیق به بررسی شبیه سازی جریان ناشی از مخلوط فاز جامد-مایع در داخل کلاریفایردر ناحیه ورودی آب به کلاریفایر(منبع تغذیه)، از طریق آنالیز دو بعدی جریان سیال با استفاده از برنامه انسیس فلوئنت    ANSYS FLUENT پرداخته شده است. دو نوع شبیه سازی تحت شرایط مشخص انجام گرفته است. یکی برای آب حاوی ذرات جامد با لوله ورودی آب با قطر ثابت ۱ متر و ارتفاع کل ۵.۵ متر، و دیگری با یک لوله تغذیه با قطر ۱ متر تا ۳.۵ متر ارتفاع ، پس از آن قسمتی شبیه قیف با قطر ۲ متر و ارتفاع ۲ متر در قسمتی که آب به داخل مخزن تخلیه می شود. شکل ۸ و ۹ نمای ایزومتریک و ساختار لوله ورودی(محل تغذیه )  کلاریفایر و شکل ۱۰ مدل هندسی ساختارهای هر دو نوع کلاریفایر جهت انجام محاسبات مربوطه و مقایسه سرعت جریان آب، توزیع عدد رینولدز و شدت تلاطم در دونوع کلاریفایر، نشان داده شده است.

شکل ۸: نمای ایزومتریک یک کلاریفایر دایره ای در یک ساختار ساده در مورد کلاریفایر با یک لوله ورودی (تغذیه) با قطر ثابت (a) یا قیف مانند (b)

۳-۱- بررسی سرعت جریان آب در کلاریفایر با لوله ورودی با  قطر۱ متر و لوله ورودی با  قطر ۲ متر:

سرعت جریان آب برای دو کلاریفایرمورد بررسی با لوله ورودی با  قطر۱ متر و لوله ورودی با  قطر ۲ متر با زمان ته نشینی ۶۰ ، ۱۲۰ و۱۸۰ ثانیه شبیه سازی شده است. شکل ۱۰ توزیع سرعت برای کلاریفایر با لوله ورودی یک متر در زمانهای ۶۰ ، ۱۲۰ و ۱۸۰ ثانیه  و با جزییات بیشتر در همان فواصل را نشان می دهد. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که اگر چه سرعت در ناحیه ورودی در  ۰.۰۳۶ متر/ثانیه تنظیم گردیده است ناحیه هایی در کلاریفایر وجود دارد که در آنها بیشترین مقدار سرعت در آنها به ۰.۱۰۳ متر بر ثانیه نیز می تواند برسد و ماکزیمم مقدار سرعت در ناحیه ورودی آب به داخل مخزن  محاسبه  گردیده است.

ثانیه وبه ترتیب با تصویر بزرگتردر  (ʹA)  -(Cʹ)  در همان زمانهای مشخص شده.

با توجه به شکل ۱۰ ، می توان دریافت که جهت حرکت سرعت جریان آب به طور کلی به سمت پایین کلاریفایراست (بیشتر به دلیل گردابهایی است که در انتهای لوله ایجاد می شود)جایی که اختلاف فشار قابل توجهی در توده مایع وجود دارد.

توزیع سرعت برای کلاریفایر با لوله ورودی دو  متر  در زمانهای ۶۰ ، ۱۲۰ و ۱۸۰ ثانیه  و با جزییات بیشتر در همان فواصل در شکل ۱۱  نشان داده  شده است. اینطور مشاهده گردید که اگر چه سرعت در ناحیه ورودی در  ۰.۰۰۹ متر/ثانیه تنظیم گردیده است ناحیه هایی در کلاریفایر وجود دارد که در آنها بیشترین مقدار سرعت در آنها به  ۰.۰۲۶ متر بر ثانیه نیز می تواند برسد و ماکزیمم مقدار سرعت در ناحیه ورودی آب به داخل مخزن  بدست آورده شد.

بررسی های به عمل آمده  از حداکثر سرعتهای به دست آمده در کلاریفایر بین دو حالتی که مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است نشان می دهد که حداکثر سرعت مایع در مورد کلاریفایر با لوله ورودی  ۲ متر چهار برابر کمتر از کلاریفایر با لوله ورودی ۱ متر است.

 

۳-۲- بررسی عدد رینولدز در کلاریفایر با لوله ورودی با  قطر۱ متر و لوله ورودی با  قطر ۲ متر:

توزیع عدد رینولدز برای دو کلاریفایرمورد بررسی با لوله ورودی با  قطر۱ متر و لوله ورودی با  قطر ۲ متر با زمان ته نشینی ۶۰ ، ۱۲۰ و۱۸۰ ثانیه شبیه سازی شده است. شکل ۱۲ توزیع عدد رینولدز در طول مدل هندسی کلاریفایر با لوله ورودی (تغذیه) با قطر ۱ متردر  ۶۰ ثانیه،  ۱۲۰ ثانیه و  ۱۸۰ ثانیه وبه ترتیب با تصویر بزرگتردر همان زمانهای مشخص شده را نشان می دهد.بیشترین مقدار به دست آمده برای عدد رینولدز در طول کلاریفایر۱۴.۷ برای ۶۰ ثانیه، ۳۹.۶ برای ۱۲۰ ثانیه و۵۳ برای ۱۸۰ ثانیه می باشد.همانطور که از شکل مشخص است ظاهر گرداب ها نیز تغییر جهت را تعیین می کند که عمدتا به سمت خروجی کلاریفایراست تا اینکه عمدتا به سمت پایین کلاریفایرباشد. و شکل ۱۳ توزیع عدد رینولدز در طول مدل هندسی کلاریفایر با لوله ورودی (تغذیه) با قطر ۲ متردر  ۶۰ ثانیه،  ۱۲۰ ثانیه و  ۱۸۰ ثانیه وبه ترتیب با تصویر بزرگتردر همان زمانهای مشخص شده را نشان می دهد.

شکل۱۳ :توزیع عدد رینولدز در طول مدل هندسی کلاریفایر با لوله ورودی (تغذیه) با قطر ۲ متردر(A)  ۶۰ ثانیه (B)  ۱۲۰ ثانیه و (C)  ۱۸۰ ثانیه وبه ترتیب با تصویر بزرگتردر  (ʹA)  -(Cʹ)  در همان زمانهای مشخص شده.

در اعداد رینولدز پایین تمایل جریان به داشتن الگویی آرام و لایه ای می باشد، در حالیکه در اعداد رینولدز بالا جریان به حالت آشفته در می‌آید. با مقایسه نتایج  بدست آمده اعداد رینولدز در طول زمان ، برخلاف  کلاریفایر با لوله ورودی (تغذیه) با قطر ۱ متر، کلاریفایر لوله ورودی (تغذیه) با قطر ۲ مترروندی کاهشی دراعداد را دارد در نتییجه در کلاریفایر دومی جریان آرامتری وجود خواهد داشت.

 

 

 

 

۳-۳- بررسی شدت تلاطم  در کلاریفایر با لوله ورودی با  قطر۱ متر و لوله ورودی با  قطر ۲ متر:

شدت تلاطم  برای دو کلاریفایرمورد بررسی با لوله ورودی با  قطر۱ متر و لوله ورودی با  قطر ۲ متر با زمان ته نشینی ۶۰ ، ۱۲۰ و۱۸۰ ثانیه شبیه سازی شده است. شکل ۱۴ توزیع شدت تلاطم در طول مدل هندسی کلاریفایر با لوله ورودی (تغذیه) با قطر ۱ متر و شکل ۱۵ توزیع شدت تلاطم در طول مدل هندسی کلاریفایر با لوله ورودی (تغذیه) با قطر ۱ متردر  در  ۶۰ ثانیه،  ۱۲۰ ثانیه و  ۱۸۰ ثانیه وبه ترتیب با تصویر بزرگتردر همان زمانهای مشخص شده را نشان می دهد.

با گذشت زمان، نواحی با شدت تلاطم بیشتربه سمت  پایین کلاریفایرنزدیکتر می شوند.

با مقایسه نتایج حاصل از شدت تلاطم برای هر دو نوع ورودی مشخص می شود شدت تلاطم در در مورد کلاریفایر با لوله ورودی  ۲ متر کمتر از کلاریفایر با لوله ورودی ۱ متر است. در نتیجه میزان ته نشینی در آن بیشتر است.

نتیجه گیری:

فرایند ته نشینی  یا زلال سازی معمولترین ترین روش  جداسازی مواد جامد از مایع  می‌باشد که  نسبت به سایر روشها از لحاظ  اقتصادی مقرون به صرفه می باشد. به طور کلی  حذف موثر ذرات جامد  از فاز جامد-مایع هم به ذرات جامد هم فاز مایع و هم به ساختارکلاریفایر بستگی دارد. افزایش میزان ته نشینی با اعمال شرایط بهینه موثر بر فرایند ته نشینی از جمله اهداف این مطالعه بوده است. در فاز جامد با افزایش غلظت مواد جامد سرعت ته نشینی آنها کاهش می یابد، با افزایش دانسیته مواد سرعت ته نشینی افزایش می یابد.

در فاز مایع با افزایش دما وافزایش  PH سرعت ته نشینی  افزایش می یابد. استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در تکنولوژی تصفیه پساب از اهمیت قابل ملاحظه ای برخورداراست. طراحی و بهینه سازی واحدهای فرآیندی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی می تواند بسیاری از هزینه های ناشی از بررسی ها وعملکردهای تجربی را کاهش دهد. با انجام  محاسبات CFD  در قسمت ورودی آب  در کلاریفایر وتغیرساختار هندسی منبع ورودی سرعت جریان آب، عدد رینولدز و شدت تلاطم آب در منبع ورودی با قطر ۲ متر نسبت به منبع ورودی با قطر ۱ متر کاهش داشته است. که نتایج آن افزایش میزان ته نشینی و تسریع روند جداسازی فاز جامد-مایع می گردد.

زهرا اسدی* ۱، امید امین زاده۲، سعید کبیری۳، هادی  رجبی۳، علی یعقوبی ۳

۱- دکتری تخصصی، مجتمع فولاد میانه، میانه ، ایران،

۲- کارشناسی، مجتمع فولاد میانه، میانه ، ایران،

 ۳- دکتری تخصصی، مجتمع فولاد میانه، میانه ، ایران

۳- کارشناسی ارشد ، مجتمع فولاد میانه، میانه ، ایران

۳- دکتری تخصصی، مجتمع فولاد میانه، میانه ، ایران،

2

تاریخ انتشار : ۹ خرداد ماه ۱۴۰۰ ساعت ۱۶:۴۸
شناسه مطلب : 35991
ارسال
برچسب ها
ارسال دیدگاه
نام و نام خانوادگی
پست الکترونیک
کد امنیتی

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.