Agregace v reálných systémech

Transkript

1 Agregace v reálných systémech 1 Zednodušuící předpoklady při popisu kinetiky agregace: o koeficient účinnosti srážek (kolizní koeficient) α = 1, o pohyb částic e zapříčiněn laminárním prouděním kapaliny, o všechny částice v suspenzi maí stenou velikost, o částice maí kulovitý tvar, o nedochází k rozbíení částic, o při kolizi se střetávaí vždy pouze dvě částice Realita: o koeficient účinnosti srážek (kolizní koeficient) α < 1, o pohyb částic e zapříčiněn turbulentním prouděním kapaliny, o částice v suspenzi maí různou velikost, o částice vesměs nemaí kulovitý tvar, o částice podléhaí rozbíení, o při kolizi se střetává různý počet částic

2 Agregace v reálných systémech 2 Modelování kinetiky agregace a rozbíení

3 Agregace v reálných systémech 3 Modelování kinetiky agregace a rozbíení N i dn dt i i2 1 i k N N k N i1, i1 2 i1, i1 i1 max 1 max 2 i 2 kin Ni kin i, S N SiNi 1 i i i1 intenzita rozpadu S i Si / 2 1/ 2 k exp - střední rychlost disipace turbulentní energie, ν - kinematická viskozita ε k - kritická rychlost disipace turbulentní energie rozpadová distribuční funkce Γ i, binární distribuce na 2 stené části V i i Vi => pro = i + 1 => pro i + 1 V i a V - obemy agregátů i a

4 Agregace v reálných systémech 4 Modelování kinetiky agregace pomocí fraktální geometrie Konvenční model agregace k 2k T 1 1 G ( Vi, V ) ortokin i B 1/ 3 1/ 3 i ( Vi, V ) perikin V 1/ 3 1/ 3 i V 3 Vi V k i 3 3 V 1/ V 1/ 3 Fraktální model agregace k i 2k T 1 3 Vi B f ( Vi, V ) perikin V 1/ D i f 1/ D f k i ( V i, V ) ortokin G V 13/ D p f V 1 1/ D 1/ D 1/ D V V 3 i f f V 1/ D f

5 Agregace v reálných systémech 5 Základním nedostatkem výše uvedených kinetických modelů popisuících proces tvorby agregátů e eich omezená využitelnost v praxi při sledování změn vlastností tvořících se agregátů. Praktické využití naopak umožňue tzv. mechanistický model agregace, který byl rozpracován do tzv. testu agregace. Mechanistický model agregace (Hereit, Mutl, Vágner) => koncept agregace předpokládaící vícestupňovou strukturu agregátů Neagregované částice (NA) primární agregáty (PR) mikro-agregáty (MI) makro-agregáty (MA) Primární částice Flokule Mikrovločky Vločkovité agregáty

6 Agregace v reálných systémech 6 Zednodušuící předpoklady mechanistického modelu agregace: o o o o o o agreguící systém obsahue pouze eden typ částic, agreguící částice sou v celém obemu rozděleny rovnoměrně, podmínky umožňuící pohyb částic sou stené pro všechny částice, růst agregátů e pravidelný a probíhá krok za krokem (dvě sousední částice se spoí do dubletů a dva sousední dublety do kvadrupletů, které se stávaí novými základními ednotkami pro další agregaci), základní kulové částice sou v kvadrupletu uspořádány tak, že eich středy leží ve vrcholech čtyřstěnu, a částice se vzáemně dotýkaí, kvadruplet e považován za ednu vývoovou populaci (generaci) agregátů a) schematické znázornění uspořádání částic v čtyřstěnu, b) pohled shora

7 Agregace v reálných systémech 7 Název skupiny Velikost agregátů harakteristika agregátů Podíl agregátů - výpočet Vhodná separace Popis technologie a probíhaící procesy Makro-agregáty > 1 mm Částice, které se usadí v kratším čase než 5 min. P MA 5 Sedimentace a filtrace Homogenizace dest. činidla, tvorba mikro- a makro-agregátů, sedimentace vytvořených agregátů a separace zbývaících částic na filtru. Mikro- agregáty.5-1 mm Částice, které se usadí v čase mezi 5 a 6 min. P MI 5 6 Dvoustupňová filtrace (čiření a filtrace) Homogenizace dest. činidla, současná agregace a filtrace mikro-agregátů v dokonale vznášeném vločkovém mraku (obvykle v čiřiči) a separace zbývaících částic na filtru. Primární agregáty.5-.5 mm Částice, které se usadí v čase mezi 6 a 44 min. Sedimentace v gravitačním poli byla nahrazena sedimentací v odstředivém poli. P PR = 6 - F( 6) Přímá filtrace Homogenizace dest. činidla, tvorba primárních agregátů v rychle míchané nádrži, filtrace. Neagregovaný podíl <.5 mm Částice, které nesou ovlivněny gravitačním polem a neusadí se ani po velmi dlouhé době. P = NA F( 6) Koagulační (agregační) filtrace Homogenizace dest. činidla a okamžitý nátok vody na filtr. Adheze destabilizovaných částic na povrchu filtračního materiálu. - celková počáteční koncentrace hliníku nebo železa na začátku sedimentace, 5 - koncentrace po 5 minutách sedimentace, 6 - koncentrace po 6 minutách sedimentace, F(6) - koncentrace po odstředění (35 rpm = 1996 x g, 2 min)

8 Tvorba suspenze - Míchání 8 Míchání 1) homogenizační aplikace bezprostředně po nadávkování činidel s cílem dosažení eich účinné a rychlé dispergace v upravovaném obemu vody stupeň homogenity α H - účinnost homogenizace činidel H c 1 c 2 c3... c n n c i i pro i i i c i 1i 1 pro i i i n - počet odebraných vzorků, c 1, c 2, c 3,, c n - relativní koncentrace sledované (rozmíchávané) složky v ednotlivých odebraných vzorcích i - obemový podíl analyzované složky v i-tém vzorku i - teoretická hodnota obemového podílu při dokonalé homogenizaci

9 Tvorba suspenze - Míchání 9 Design technologie homogenizačního míchání typ míchání mechanické - back-mix reaktory hydraulické - plug-flow (in-line) reaktory princip a design míchání ovládání velikosti G doba zdržení energie e do systému vnášena míchadlem (pádlo, čepel, vrtule) pohybuícím se v nádrži změnou otáček míchadla stená doba zdržení pro všechny částice e obtížně zaistitelná míchání e dosahováno vznikem tlakové ztráty na překážce v potrubí nelze - závislý na průtoku vody doba zdržení e pro všechny částice stená Mechanické mísiče doba zdržení cca 1 6 s G = cca 3 s -1 Výhody => možnost nastavení hodnoty G změnou otáček míchadla Nevýhody => nehomogenní hydraulické podmínky => nerovnoměrná doba zdržení

10 Tvorba suspenze - Míchání 1 Hydraulické (průtočné) mísiče statické mísiče ohyby potrubí zužování a rozšiřování potrubí mísiče s dutou clonou Výhody => rovnoměrná doba zdržení Nevýhody => G závislé na průtoku, nelze ovládat difúzní rošty vodní skok v kanálu statické mísiče

11 Tvorba suspenze - Míchání 11 Hydraulické (průtočné) mísiče Náhlé rozšíření potrubí Potrubí s dvěma clonami za sebou Vodní skok v kanálu Difúzní rošt v kanálu

12 Tvorba suspenze - Míchání 12 Míchání 2) agregační aplikace v průběhu agregace za účelem vzáemných kontaktů ednotlivých částic či agregátů a) rychlé tvorba nižších vývoových stadií (primární částice a mikroagregáty) G = 1 až 4 s -1 t = dosažení velikostní homogenizace agregátů (steady state) b) pomalé tvorba makro-agregátů G = 2 až 1 s -1 t = 5 3 min. Pomalé agregační míchání by mělo být vždy aplikováno po rychlém agregačním míchání, nikoliv pouze po homogenizaci, ak e tomu dnes na většině úpraven vody!!!

13 Tvorba suspenze - Míchání 13 Design technologie agregačního míchání - hydraulické míchání Flokulační kanál: a) vertikální uspořádání (over-and-under baffles) b) horizontální uspořádání (around-the-end baffles) Rozložení rychlostního pole (a) a gradientů rychlosti (b) ve flokulačním kanále

14 Tvorba suspenze - Míchání 14 Design technologie agregačního míchání - hydraulické míchání Děrované stěny Fluidní (vznášená) vrstva

15 Tvorba suspenze - Míchání 15 Design technologie agregačního míchání - mechanické míchání Míchadla s tangenciálním prouděním: a) pádlové míchadlo s vertikální hřídelí b) pádlové míchadlo s horizontální hřídelí Míchadla s vratným pohybem: a) kyvadlová, b) vahadlová

16 Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace 16 Neodstranitelný podíl => nedestabilizované nebo destabilizované ale dostatečně neagregované částice znečišťuících příměsí, neagregované částice destabilizačního činidla nebo produktů eho hydrolýzy stupně destabilizace α D D ND N => rozsah hodnot 1 D D = => destabilizace vůbec neproběhla NED N D - počet destabilizovaných částic N - celkový počet částic - počáteční koncentrace analyticky sledované složky určité příměsí (TO, Al, Fe atd.) NED - množství nedestabilizovaných částic vyádřených ako koncentrace sledované složky určité příměsí (TO, Al, Fe atd.) D = 1 => destabilizace proběhla kvantitativně - všechny částice obsažené v surové vodě byly účinně destabilizovány Stupeň destabilizace e závislý především na charakteru znečišťuících příměsí, typu a dávce destabilizačního činidla a také hodnotě ph.

17 Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace 17 stupně agregace α A N A NEA A => A N rozsah hodnot 1 D = => agregace vůbec neproběhla N A - počet agregovaných částic N - celkový počet částic - počáteční koncentrace analyticky sledované složky určité příměsi (TO, Al, Fe atd.) NED - množství neagregovaných částic vyádřených ako koncentrace sledované složky určité příměsi (TO, Al, Fe atd.) D = 1 => agregace proběhla kvantitativně - všechny částice obsažené v surové vodě byly účinně agregovány Stupeň agregace e kriteriem charakterizuícím průběh tvorby odstranitelných agregátů a e používán při hodnocení zaměřeném na optimalizaci parametrů míchacích zařízení, eich rozdílných konstrukcí a případných technologických sestav. Stupeň agregace e ovlivněn především podmínkami agregačního míchání, t. eho intenzitou a dobou.

18 Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace 18 stupně destabilizace α D praktické stanovení D F ( HM ) - počáteční koncentrace sledované složky (pro ukazatel TO stanovená v surové vodě po odstředění, pro ukazatel Al/Fe stanovená po nadávkování příslušného destabilizačního činidla) F(HM) - koncentrace sledované složky (např. Al, Fe, TO atd.) stanovená v odstředěném vzorku po homogenizačním míchání stupně agregace α A praktické stanovení A F ( A) - počáteční koncentrace sledované složky (např. Al, Fe, TO atd.) stanovená ve vzorku surové vody F(A) - koncentrace sledované složky (např. Al, Fe, TO atd.) stanovená v odstředěném vzorku po agregaci

19 Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace 19 Test agregace - sedimentační analýza odvozená na základě mechanistického modelu agregace - slouží k hodnocení okamžitého stavu vývoe agregátů v určitém okamžiku sledování, např. posouzení vlivu určitých gradientů rychlosti a doby míchání na charakter vznikaících agregátů s ohledem na možnosti eich následné separace - průběh procesu úpravy v závislosti na čase, případně v ednotlivých fázích úpravy se proevue především změnami ve velikostech tvořených agregátů => vymezení čtyř vývoových stádií částic/agregátů: neagregované částice (NA), primární agregáty (PR), mikro-agregáty (MI), makro-agregáty (MA) s rozdílnými možnostmi eich separace

20 Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace 2 Neagregovaný podíl částic (NA) - odpovídá neodstranitelnému podílu částic NA - poměr koncentrace sledované složky určité příměsi (např. Al, Fe, TO atd.) v odstředěném vzorku po 6 minutách usazování ( F(6) ) k celkovému obsahu sledované složky stanovené v počátku sedimentace ( ) P F (6) Primární agregáty (PR) - odstranitelné agregáty s dobou sedimentace delší než 6 min. - poměr rozdílu koncentrace sledované složky určité příměsi po 6 min. sedimentace ( 6 ) a koncentrace sledované složky v odstředěném vzorku po 6 minutách sedimentace ( F(6) ) k celkové koncentraci sledované složky stanovené v počátku sedimentace ( ) P PR 6 F (6)

21 Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace 21 Mikro-agregáty (MI) - odstranitelné prostou sedimentací v době P mezi 5 až 6 minutami MI - poměr rozdílu koncentrace sledované složky stanovené ve vzorcích po 5 a 6 minutách sedimentace ( 5-6 ) k celkové koncentraci sledované složky stanovené v počátku sedimentace ( ) 5 6 Makro-agregáty (MA) - agregáty odstranitelné prostou sedimentací v době kratší než 5 minut - poměr podílu celkové koncentrace sledované složky stanovené v počátku sedimentace ( ) a ve vzorku odebraném po 5 ti minutách sedimentace ( 5 ) k celkové koncentraci sledované složky stanovené v počátku sedimentace ( ) P MA 5

22 Hodnocení účinnosti destabilizace a agregace 22 Vyhodnocení testu agregace