Tamaño de partícula versus eficiencia del sedimentador de tubo inclinado: la simulación CFD encuentra el umbral de 80 μm

Usted sabe que un sedimentador de tubo elimina los sólidos suspendidos. Pero, ¿sabe qué tamaños elimina realmente - y qué tamaños se escapan independientemente de qué tan bien esté diseñado el tanque? Utilizando una simulación CFD de un sedimentador de tubo inclinado contracorriente real de 1000 m³/d en la provincia de Anhui, los investigadores modelaron el comportamiento de las partículas de30 a 120 micrasen condiciones reales de funcionamiento. El resultado es un umbral claro: por debajo de 80 μm, el tamaño de las partículas apenas importa para su eliminación. Por encima de 80 μm la eficiencia aumenta. Si su coagulante no produce flóculos por encima de ese umbral, sus tubos inclinados no están haciendo lo que usted pagó.

POR QUÉ CFD - Y POR QUÉ ESTE TANQUE

La mayoría de los estudios sobre sedimentadores de tubos inclinados se centran en los patrones de flujo - que optimizan las dimensiones del tanque, reducen las zonas muertas y suavizan la distribución de la velocidad. Pocos han hecho la pregunta más importante para la calidad del efluente:Dada una distribución de tamaño de partícula específica, ¿qué se elimina realmente?Debido a que las partículas de diferentes diámetros tienen diferentes velocidades de sedimentación, la distribución del tamaño de las partículas de los sólidos suspendidos entrantes controla directamente la eficiencia de sedimentación que el tanque puede lograr.

Para responder a esto, los investigadores utilizaron elmodelo estándar de turbulencia k-ε(para el campo de flujo) junto con elModelo multifásico de mezcla.(para el comportamiento de dos fases sólido-líquido-) - una combinación muy-adecuada para simular el flujo turbulento y cargado de partículas-dentro de un sedimentador de tubo en funcionamiento.

El caso de prueba fue un sedimentador de tubo inclinado a contracorriente real en una planta de agua en la provincia de Anhui, con los siguientes parámetros de diseño y funcionamiento:

RESULTADO 1: DÓNDE SE CONCENTRAN LAS PARTÍCULAS - Y POR QUÉ ES IMPORTANTE

Se simularon cinco diámetros de partículas:30, 50, 80, 100 y 120 µm. Para cada uno, se examinó la distribución vertical de los sólidos suspendidos trazando la fracción de volumen promedio en secciones transversales-a diferentes alturas (Figura 2).

De los perfiles de concentración surgen tres patrones:

1. Todos los tamaños de partículas siguen la misma tendencia general.La forma general de la curva de concentración-versus-altura es similar independientemente del diámetro. La física del tanque - la estructura de cuatro-zonas, la trayectoria del flujo, el patrón de turbulencia - impone un perfil de concentración común.

2. En la entrada del tubo (~1,5 m de altura), la concentración aumenta bruscamente para partículas más grandes.Esta es la zona de transición donde el flujo ingresa a los tubos inclinados. La turbulencia y la mezcla crean una región de alta-concentración que promueve el contacto y la floculación de las partículas - un efecto positivo para la separación sólido-líquido. Cuanto más grandes son las partículas que entran en esta zona, más pronunciado es el pico de concentración.

3. En el fondo del tanque y en la sección transversal-del efluente, el tamaño de las partículas determina el resultado.Cerca de la zona de lodos, la fracción de volumen promedio aumenta con el tamaño de las partículas - más partículas grandes se sedimentan y acumulan donde deberían. En la sección transversal-del efluente, la fracción de volumen promediodisminuyea medida que aumenta el tamaño de las partículas, se escapan - menos partículas grandes. La correlación es inequívoca:partículas más grandes → más sedimentación → efluente más limpio.

RESULTADO 2: EL UMBRAL DE 80 μm

La eficiencia de eliminación η se define como:

donde C_entradaes la concentración de SS afluente (kg/m³) y C_salidaes la concentración de SS del efluente (kg/m³).

La Figura 3 muestra la relación entre la eficiencia de eliminación y el diámetro de las partículas en las condiciones del afluente dadas (295 mg/L SS, 1.050 kg/m³ de densidad, 0,02001 Pa·s de viscosidad). La curva no es lineal - tiene una rodilla distinta.

Los datos revelan dos regímenes:

La razón es hidráulica: las partículas por debajo de 80 μm tienen velocidades de sedimentación lo suficientemente bajas como para que el flujo ascendente en los tubos pueda arrastrarlas, independientemente de qué tan bien esté diseñado el tanque. Por encima de 80 μm, la velocidad de sedimentación supera a la velocidad de ascenso por un margen cada vez mayor y la eliminación se vuelve efectiva. El umbral de 80 μm es específico de la geometría y las condiciones operativas de este tanque (diámetro del tubo de 40 mm, inclinación de 60 grados, velocidad de entrada de 0,1 m/s) - pero el principio se aplica ampliamente:Cada sedimentador de tubos tiene un tamaño de partícula crítico por debajo del cual la eliminación es deficiente, y ese tamaño está determinado por la velocidad ascendente en los tubos..

LO QUE ESTO SIGNIFICA PARA SU PLANTA

1. La dosificación de coagulante tiene un objetivo y es de 80 μm.El propósito de la coagulación y floculación - más allá de neutralizar la carga y unir partículas - es hacer crecer flóculos más allá del tamaño crítico donde el sedimentador de tubo puede capturarlos. Las pruebas de jarra deben confirmar que los flóculos formados exceden el diámetro umbral para la geometría específica de su tanque.

2. Si su efluente es turbio y el tamaño del flóculo está por debajo del umbral, los tubos no son el problema - lo es la etapa de floculación.Agregar más tubos o reducir la velocidad ascendente ayudará marginalmente. Pero la verdadera solución está en la fase inicial: una mejor floculación para producir partículas más grandes y densas que los tubos existentes puedan capturar.

3. El tamaño crítico es específico del tanque-.Esta simulación encontró 80 μm para un tubo de 40 mm a 60 grados con una velocidad de entrada de 0,1 m/s. Un diámetro de tubo más pequeño, un ángulo más plano o una velocidad ascendente más baja desplazarían el umbral hacia abajo -, lo que significa que las partículas más pequeñas se vuelven extraíbles. Esta es la razón por la que la geometría del tubo y la carga hidráulica no son sólo parámetros de diseño; ellos establecen directamente el tamaño mínimo de partículas que su colonizador puede manejar.

4. La simulación CFD es una herramienta de diseño práctica, no un ejercicio académico.La combinación de modelos k-ε + Mezcla utilizada aquí puede predecir, para cualquier geometría del tanque y condición de operación, la curva de eficiencia de eliminación de tamaño de partícula. Antes de construir o modernizar, la simulación puede responder a la pregunta que las reglas de diseño empírico no pueden:¿Este tanque eliminará las partículas de mi agua cruda?