View
7
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Eva Kocbek
NUMERIČNA ANALIZA OBRATOVALNIH
KARAKTERISTIK MEŠALA ZA NEVTRALIZACIJO
ODPADNIH VODA IZ PRALNICE PERILA
Diplomsko delo
visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje
Strojništvo
Maribor, september 2014
NUMERIČNA ANALIZA OBRATOVALNIH
KARAKTERISTIK MEŠALA ZA NEVTRALIZACIJO
ODPADNIH VODA IZ PRALNICE PERILA
Diplomsko delo
Študentka: Eva KOCBEK
Študijski program: visokošolski strokovni študijski program Strojništvo
Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo
Mentor: doc. dr. Ignacijo BILUŠ
Somentor: dr. Matej ZADRAVEC
IV
I Z J A V A
Podpisana Eva Kocbek izjavljam, da:
je bilo predloţeno diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom doc. dr.
Ignacija Biluša in somentorstvom dr. Mateja Zadravca;
predloţeno diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloţeno za pridobitev
kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;
soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjiţnici tehniških fakultet
Univerze v Mariboru.
Maribor, 25. 8. 2014 Podpis: ___________________________
V
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Ignaciju Bilušu in
somentorju dr. Mateju Zadravcu za pomoč in vodenje
pri pisanju diplomskega dela.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili
študij in me pri tem podpirali.
VI
NUMERIČNA ANALIZA OBRATOVALNIH KARAKTERISTIK MEŠALA
ZA NEVTRALIZACIJO
ODPADNIH VODA IZ PRALNICE PERILA
Ključne besede: nevtralizacija, numerična simulacija, odpadna voda, turbinsko mešalo.
UDK: [532.5:004]:628.342(043.2)
Povzetek:
Diplomsko delo obravnava proces nevtralizacije odpadnih vod iz pralnice perila, katerih pH-
vrednosti so zakonsko omejene na območje 6,5 in 9,5. V diplomskem delu je uporabljena
časovno odvisna numerična simulacija, s katero so bile napovedane obratovalne
karakteristike turbinskega mešala za nevtralizacijo s klorovodikovo kislino HCl. Iz dobljenih
rezultatov obratovalnih karakteristik je razvidno, da smo dosegli zastavljen cilj in da lahko z
uporabo numerične simulacije nadomestimo drag eksperiment ter zagotovimo pravilno
delovanje sistema in s tem doseganje zakonskih smernic.
VII
NUMERICAL ANALYSIS OF OPERATING CHARACTERISTICS OF
MIXER FOR NEUTRALIZATION OF LAUNDRY WASTE WATER
Key words: neutralization, numerical simulation, waste water, turbine mixer.
UDK: [532.5:004]:628.342(043.2)
ABSTRACT:
Thesis deals with the process of neutralization of laundry waste water, where pH values are
legally restricted to the range 6.5 and 9.5. A time-dependent numerical simulation was
applied to the thesis, by which the operating characteristics of the turbine mixer for
neutralization with hydrochloric acid HCl was announced. The operating characteristics
shows the achieved objective and that we can use numerical simulation to replace expensive
experiment and ensure the proper function of the system and thus achieve the statutory
guideline.
VIII
UPORABLJENI SIMBOLI
Latinski simboli
premer rotorja mešalne posode
premer mešalne posode
empirični konstanti
eksperimentalno dobljeno število
višina odmika rotorja od dna mešalne posode
Froudovo število
funkcija nekega števila
zemeljski pospešek
višina mešalne posode
višina tekočine v mešalni posodi
molarna masa
masni deleţ
navor
vrtilna hitrost
Newtonovo število
turbulentna kinetična energija
koncentracija HCl
koncentracija ravnoteţnega stanja
sila teţe
člen sil in izvorov
generacijsko število turbulence
temperatura
čas
hitrost
IX
vektor hitrosti
časovno povprečna vrednost hitrosti
oscilirajoči del hitrosti
volumen
minimalna moč mešala
Reynoldsovo število
relativna velikost nihanja koncentracije
Grški simboli
sprememba neke veličine
Kroneckerjeva funkcija
lokalna disipacija kinetične energije
dinamična viskoznost
gostota
disipacija kinetične energije
mešalni čas
empirični konstanti
striţna napetost
X
UPORABLJENE KRATICE
CFD – Computational Fluid Dynamics (računalniška dinamika tekočin)
CFX – Programski paket za simulacijo tokovnih pojavov
FS – Fakulteta za strojništvo
XI
Kazalo vsebine
1 UVOD 1
1.1 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA 2
1.2 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA 3
2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE 4
2.1 MEŠANJE BREZ UPORABE MEŠALNIH NAPRAV 4
2.2 MEŠANJE Z MEŠALNIMI NAPRAVAMI 4
Tipi in delovanje mešalnih naprav 5
Tokovno polje mešala 8
3 ČIŠČENJE ODPADNIH VOD IZ PRALNIC PERILA 10
3.1 PREGLED PROCESA PRANJA 10
3.2 PROBLEM ODPADNE VODE PRALNIC PERILA 11
3.3 BAZIČNOST IN TEMPERATURA ODPADNE VODE 11
3.4 POSTOPKI ČIŠČENJA ODPADNIH VOD IZ PRALNIC 12
3.5 POSTOPEK NEVTRALIZACIJE 12
4 PREGLED ZAKONODAJE S PODROČJA ODPADNIH VOD IZ PRALNICE
PERILA 14
5 TEORETIČNE OSNOVE MEŠANJA 16
5.1 TOKOVNI REŢIM 16
Laminarno mešanje 16
Turbulentno mešanje 16
5.2 UČINKOVITOST MEŠANJA 16
Brezdimenzijska števila 20
6 RAČUNALNIŠKA DINAMIKA TEKOČIN 21
6.1 VODILNE ENAČBE 21
Kontinuitetna enačba (ohranitev mase) 21
Zakon ohranitve gibalne količine 22
Zakon ohranitve snovi 22
Turbulentni modeli 22
6.2 DISKRETIZACIJA RAČUNSKEGA OBMOČJA 24
XII
7 NUMERIČNA ANALIZA IN NAPOVED OBRATOVALNIH KARAKTERISTIK
25
7.1 GEOMETRIJA 25
7.2 RAČUNSKA MREŢA 26
7.3 NASTAVITVE NUMERIČNE SIMULACIJE 27
8 REZULTATI 29
8.1 MEŠALNI ČAS 30
8.2 TOKOVNO POLJE 33
9 DISKUSIJA 37
10 SKLEP 38
11 VIRI 39
1
1 UVOD
Voda je najdragocenejši vir na našem planetu, je del naše preteklosti in prihodnosti. Mnogi
trdijo, da je voda nafta 21. stoletja. Deleţ sladke vode na Zemlji znaša le nekaj odstotkov, od
tega je dostopne precej manj. V zadnjih letih se je potreba po vodi na račun povečanja
prebivalstva in gospodarstva povečala. Zato je še toliko bolj pomembno zavedanje, da je treba
z vodnimi viri razpolagati odgovorno. Da bi zaščitili zdravo pitno vodo in vodo, ki se koristi
pri raznih proizvodnih procesih, se tehnologija priprave vode neprestano razvija.
Poseben primer so pralnice perila, kjer se mora zagotoviti konstantna kakovost izhodne
odpadne vode iz procesa pranja perila. V preteklih letih se je zakonodaja poostrila in s tem
razvoj tehnologije, potreben za optimizacijo celotnega procesa čiščenja odpadne vode iz
pralnice perila. Eden izmed teh procesov je nevtralizacija odpadne vode, ki je omejena na
pH-vrednost med 6,5 in 9,5. Proces nevtralizacije alkalne odpadne vode se izvaja z uporabo
kislin, pri čemer je med postopkom treba zagotoviti homogenost mešanice. Diplomsko delo se
bo omejilo na numerično proučevanje pojava za zagotavljanje nevtralnosti odpadne vode v
pralnici, pri čemer ne bodo obravnavani drugi procesi, ki potekajo v pralnici.
2
1.1 Opredelitev diplomskega dela
Diplomsko delo obravnava proces nevtralizacije odpadnih vod iz pralnice perila, katerih
pH-vrednosti so zakonsko omejene na območje 6,5 in 9,5. Cilj procesa nevtralizacije je doseči
homogeno mešanico HCl in H2O. Pri tem:
nas bosta zanimala porazdelitev faz in homogenost končnega produkta, kakor
tudi čas, potreben za doseganje ţelene stopnje pomešanja,
bomo ţeleli proučiti tokovne pojave v mešalni posodi z vizualizacijo
hitrostnega in koncentracijskega polja tekočine,
zanimala nas bo določitev potrebnih procesnih parametrov.
Pri sami analizi danega primera smo se omejili na numerično analizo obratovalnih
karakteristik turbinskega mešala. Predpostavili smo začetno porazdelitev obeh komponent
HCl in H2O v mešalni posodi, ki je posledica razlike v gostoti. V enostavni mešalni posodi
nismo obravnavali vstopnih in izstopnih odprtin, ki vplivajo na hitrostno in koncentracijsko
polje.
3
1.2 Struktura diplomskega dela
Struktura diplomske naloge zajema rešitev za zagotovitev procesa nevtralizacije za
homogenizacijo dvosestavinske mešanice HCL in H2O. Najprej smo pregledali različne
moţnosti metod doseganje homogenosti, pri čemer smo se odločili za najbolj primeren način
in s tem uspešne nevtralizacije s turbinskim mešalom.
Tretje poglavje zajema proces čiščenja odpadnih vod iz pralnice perila s postopkom
nevtralizacije. V četrtem poglavju je navedena sedaj veljavna zakonodaja na področju varstva
okolja in vod. V petem poglavju obravnavamo teoretične osnove mešanj. Vodilne enačbe in
opis diskretizacije računskega območja obravnava šesto poglavje, medtem ko so obratovalne
karakteristike in numerična analiza zajete v poglavju 7. Rezultati so predstavljeni v poglavju
8, na koncu sledita sklep in diskusija v poglavjih 9 in 10.
4
2 PREGLED STANJA OBRAVNAVANE PROBLEMATIKE
Najpogosteje uporabljen postopek za dosego homogenosti kapljevitih snovi je mešanje.
Mešanje ima eno glavnih nalog v procesni tehniki. Uporablja se kot samostojni ali
spremljevalni proces ali pa sluţi za vzpostavitev pogojev za potek preostalih procesov. [8]
Za dosego nevtralizacije z mešanjem je treba zagotoviti homogeno zmes kisline in vode. Pri
tem je na voljo več moţnosti, ki bodo opisane v nadaljevanju.
2.1 Mešanje brez uporabe mešalnih naprav
Homogenost tekočin lahko doseţemo z vpihovanjem zraka na dnu nevtralizacijskega
bazena. Ta metoda se izogiba uporabi gibljivih delov in s tem povezanim vzdrţevanjem,
vendar zahteva veliko količino zraka. Pri tem potrebujemo večje število puhal, da zagotovijo
potreben volumen in tlak za mešanje tekočine v rezervoarju. Naslednja metoda nam omogoča
mešanje s centrifugalno črpalko, ki skrbi za cirkulacijo odpadne vode v rezervoarju za
nevtralizacijo. V osnovi črpalka za cirkulacijo odpadno vodo zajema na dnu rezervoarja za
nevtralizacijo in jo ponovno vrača v rezervoar. Po vstopu v rezervoar voda steče skozi ejektor,
ki deluje na principu podtlaka, kot je vidno na sliki 2.1. [9]
Slika 2.1: Prikaz delovanja ejektorja [9]
2.2 Mešanje z mešalnimi napravami
Cilj mešanja je, da se dve ali več tekočin med seboj mešajo in doseţejo vnaprej določeno
stopnjo homogenosti. Čas, potreben za dosego te stopnje homogenosti, je mešalni čas.
Mešalni postopki se za nizkoviskozne tekočine izvajajo v turbulentnem reţimu in zelo
viskozne tekočine v laminarnem reţimu. [3]
podtlak
vstop vode
šoba
Obtok vode
5
Tipi in delovanje mešalnih naprav
Mešalne naprave spadajo k najpogosteje uporabljenim napravam v procesni tehniki. Slika 2.2
prikazuje osnovno zgradbo mešalne posode z mešalom. Sestavljajo jo trije osnovni sklopi:
ohišje mešalne posode, reduktor z motorjem in mešalo z gredjo. [1]
Slika 2.2: Značilni sestavni deli mešalne posode [1]
Najenostavnejša je oblika mešalne posode z ravnim dnom, poznane so še oblike s polkroţnim
dnom, najpogosteje uporabljena pa je vertikalno nameščena mešalna posoda s cilindrično
obliko dna. V uporabi so tudi posode s posebno oblika dna, kot npr. kaţe slika 2.3. Namen
takšnih posod je preprečiti odlaganje trdnih delcev na dno. Posode, ki so nameščene
horizontalno, se uporabljajo običajno pri procesih, kjer se ravna z viskoznimi pastami ali
testom. Pri takšnih enotah je delovni volumen majhen v primerjavi z rezilom mešala, ki so
konstrukcijsko masivnejša. [1, 3]
6
Slika 2.3: Posoda z zaobljenim dnom za suspenzijo trdnih delcev [3]
Slika 2.4: Mešalo, vstopajoče na vrhu, za horizontalno cilindrično posodo [4]
Mešala omogočajo prenos mehanske energije v kinetično energijo tekočine.
Poznamo različne tipe mešal:
za lahko tekoče tekočine: propelerska, turbinska (Rushton), pogonska, turbinska
mešala s poševnimi lopaticami,
srednje viskozne tekočine: traverzna, mreţna, lopatna,
zelo viskozne tekočine: sidrna in vijačno mešalo.
V preglednici na sliki 2.5 so prikazane različne izvedbe mešal.
7
Slika 2.5: Tipi mešal [5]
Mešala z notranjo konturo posode.
Oţji razmik med mešalom in steno
posode, dober prenos toplote.
Re = laminarno/turbulentno
Mešanje s segrevanjem oz.
hlajenjem.
Mešala z močnejšim radialnim
odtekanjem in obtokom materiala.
Re = turbulentno
Mešanje, suspendiranje, uvajanje
Plinov.
Posebna oblika kotvenih mešal z
rešetko. Izboljšano mešanje v
notranjosti posode
Re = laminarno/turbulentno
Mešanje s segrevanjem oz.
hlajenjem.
Mešala z radialnim in aksialnim
odtekanjem tekočine in močnim
obtokom snovi.
Re = laminarno/turbulentno
Mešanje, homogeniziranje,
suspendiranje.
Enostavno mešalo z majhno do
srednjemešalno sposobnostjo.
Re = laminarno/turbulentno
Mešanje .
Mešalo z visokim številom vrtljajev,
močnim aksialnimi odtekanjem in
dobrim obtokom snovi.
Re = turbulentno
Suspendiranje, homogeniziranje.
Energetsko varčno mešalo z dobrim
aksialnim in radialnim učinkom.
Re = laminarno/turbulentno
Mešanje s segrevanjem oz.
hlajenjem, suspendiranje,
homogeniziranje.
Mešala z visokim številom vrtljajev s
preteţno aksialnim odtekanjem
snovi.
Re = turbulentno
Homogeniziranje, uvajanje plinov,
suspendiranje.
Mešala s tremi nazaj obrnjenimi
lopaticami za tekočino s srednjo
viskoznostjo.
Re = turbulentno
Mešanje, suspendiranje.
Mešalo z visokim številom vrtljajev
za
viskozne in zelo viskozne tekočine.
Re = laminarno/turbulentno
Mešanje.
8
Tokovno polje mešala
V splošnem poznamo dve polji: aksialno in radialno tokovno polje mešala. Aksialno tokovno
polje zaznamuje propelersko mešalo oz. turbinsko mešalo s poševnimi lopaticami, kot je
prikazano na sliki 2.6 (b). Smer črpanja tekočine je pri tem na izstopu iz področja mešala
vzporedna gredi mešala. Radialna mešala pa so zaznamovana z dvema cirkulacijskima
zankama, pri čemer se ena nahaja nad mešalom in ena pod mešalom 2.6 (a). Razlike v
tokovnem polju omogočajo variacije v distribuciji striţne hitrosti in stopnje disipacije energije
v posodi. V odvisnosti od procesa lahko na osnovi teh tokovnih razmer izberemo primeren tip
mešala. Na sliki 2.6 (c) opazimo, da s povečanjem premera rotorja ali s povečanjem
viskoznosti tekočine 2.6(č) tokovno polje izraţa karakteristike radialnega mešala. Večjo
število mešal uporabimo v primeru, kjer je stopnja med višino tekočine in premerom posode
višja od 1,0 (slika 2.6 d). [4]
(a) Radialno tokovno polje (b) Tokovno polje turbinskega mešala
(c) Tokovno polje
turbinskega mešala z
velikim premerom d
(d) Tokovno polje
turbinskega mešala z
visoko µ
(e) Tokovno polje dveh
turbinskih mešal
Slika 2.6: Tokovno polje z različnimi tipi mešal, premerom mešala in viskoznostjo tekočine
[4]
9
Za učinkovito mešanje tekočin v večjih posodah, ki uporabljajo stransko vstopajočo
mešalo, je pomembno, da se ustvari tokovno polje, kot je prikazano na sliki 2.7. To doseţemo
z namestitvijo horizontalnega mešala pod kotom 10 stopinj levo od sredine posode, ob
predpostavki, da se mešalo vrti v smeri urinega kazalca od strani motorja. Mešalo, nameščeno
v središču posode, ustvarja vrtinčenje na površini, ki zmanjša učinkovitost mešala in morebiti
omogoči vdor zraka v tekočino. Skratka, ţe sama namestitev mešala lahko spremeni samo
tokovno polje. [4]
Slika 2.7: Tokovno polje stransko-vstopajočega propelerja [4]
V nadaljevanju se bomo ukvarjali samo s turbinskim mešalom s poševnimi lopaticami.
10
3 ČIŠČENJE ODPADNIH VOD IZ PRALNIC PERILA
V odpadnih vodah se nahajajo škodljive snovi anorganskega in organskega izvora. Pralnice so
porabniki detergentov, zato se temu področju posveča pozornost tako z ekološkega kot z
ekonomskega vidika. V zadnjih letih se je potreba po čiščenju odpadne vode povečala in s
tem tudi zahteva po vgradnji naprav za čiščenje. [6]
3.1 Pregled procesa pranja
Pranje je proces, ki poteka v vodnem mediju ob dodatku detergenta. Pri tem voda deluje kot
topilo, ampak ne zadostuje za učinkovito pranje. Voda namreč ni sposobna odstraniti netopnih
madeţev, nima razkuţevalnega učinka ter nima sposobnosti preprečiti ponovnega usedanja
nečistoč na oprano perilo. [6]
Obstajajo številne metode za definicijo učinkovitosti pralnih procesov. Po Sinnerju so pri
pranju perila pomembni štirje dejavniki (slika 3.1):
čas pranja,
mehanska obdelava,
kemijska sredstva,
temperatura pranja.
Z vplivom na enega izmed teh dejavnikov izzovemo spremembo drugih.
Slika 3.1: Dejavniki pranja po Sinnerju [6]
voda
čas
pranja
mehanska obdelava
temperatura
pranja
kemijska sredstva
11
3.2 Problem odpadne vode pralnic perila
Kakovost odpadnih voda iz pralnic perila je zelo odvisna od izvora perila, stopnje umazanosti
in postopkov pranja. Vzrok so raztopljene organske in neorganske ter netopne in topne snovi.
Nečistoče so lahko različne, od umazanih delovnih oblek, kjer so nečistoče v obliki olj, teţkih
kovin, nevarnih snovi do vsakdanjih umazanij: od hrane, praha, telesnih izločkov, skratka
različnih oblik, ki se nato odraţajo na različnih obremenitvah odpadnih voda. [6]
3.3 Bazičnost in temperatura odpadne vode
Visoka bazičnost in visoka temperatura sta med problematičnimi parametri odpadnih vod iz
pralnice.
Od temperature je odvisna aktivnost odvijanja samih postopkov, ki vplivajo na samo
kakovost vode, potek kemijskih reakcij, količino raztopljenega kisika, na okus in vonj vode.
Pri povišanju temperature za 10 °C se biološka aktivnost vode kar podvoji.
Izraz pH izvira iz latinskega izraza »potentia hydrogeni«, kar pomeni učinkovitost
vodika. pH-vrednost odpadne vode nakazuje stopnjo kislosti ali bazičnost raztopin in je po
definiciji negativni desetiški logaritem koncentracije hidronijevih ionov. [7]
(3.1)
… koncentracija hidronijevih ionov
Koncentracija hidroksilnih in hidronijevih ionov nam prikazuje kisle, bazične ter nevtralne
raztopine.
Tabela 1: pH-vrednosti glede na koncentracijo hidroksilnih in hidronijevih ionov [7]
Medij pH
Koncentracija
hidroksilnih ionov
Koncentracija
hidronijevih ionov
Kisel
Nevtralen
Bazičen
12
3.4 Postopki čiščenja odpadnih vod iz pralnic
Cilj čiščenja odpadnih vod iz pralnice je zagotovitev kakovosti odpadne vode pred izpustom v
javno kanalizacijo v skladu z zakonskimi predpisi.
Postopek čiščenja odpadnih vod razdelimo na:
mehansko čiščenje (sedimentacija, filtracija, flotacija, centrifugiranje),
kemijsko čiščenje,
nevtralizacijo,
fizikalno-kemijsko čiščenje (koagulacija, flokulacija, adsorpcija),
membransko filtracijo (mikrofiltracija, ultrafiltracija, nanofiltracija, reverzna osmoza),
biološko čiščenje (aerobno in anaerobno čiščenje).
Čistilna naprava je v ta namen sestavljena iz več procesnih enot, od katerih ima vsaka
svojo opravilo. [1]
V tem diplomskem delu posebej obravnavamo tehnologijo nevtralizacije z 32-odstotno
tehnično kislino HCl.
3.5 Postopek nevtralizacije
Odpadna voda, ki jo zavrţemo v kanalizacijsko omreţje, mora biti v zakonskih mejah
pH-vrednosti 6,5−9,5. Ker ima običajno odpadna voda iz pralnic vrednost pH > 11, jo je treba
kemično obdelati. V tem primeru uporabimo proces nevtralizacije.
Nevtralizacija je pomemben proces, pri katerem poteka reakcija med kislinami in
bazami. Nevtralizacija odpadnih vode zahteva porabo kemikalij. Odpadno vodo, ki je kisla
(ima nizek pH), uravnavamo z dodatkom baz (NaOH, Ca(OH)2), medtem ko bazičnost
odpadne vode uravnavamo s kislinami (HCl, H2SO4).
Pred pričetkom samega procesa nevtralizacije je treba poznati količino in dinamiko nastajanja
odpadne vode ter z laboratorijskimi testi določiti parametre:
pH-vrednost odpadne vode,
titracijsko krivuljo toka nevtralizacije,
količino in najugodnejše sredstvo za nevtralizacijo,
vrsto onesnaţenja in podporne (spremljajoče) procese, ki se odvijajo pri nevtralizaciji
odpadnih vod.
13
Z nevtralizacijo odpadne vode ni vedno treba uravnavati pH na vrednost 7, razen v primerih,
ko naslednja faza obdelave to zahteva. V praksi se to ne godi pogosto, saj zahteva kriterij pH
= 7 veliko porabo nevtralizacijskega sredstva. Postopek nevtralizacije je lahko kontinuirani ali
diskontinuiran (šarţni).
Metode nevtralizacije lahko razdelimo glede na uporabljeno nevtralizacijsko sredstvo, in sicer
so to:
nevtralizacija z mešanjem kisline in alkalne odpadne vode,
nevtralizacija z apnom ali apnencem,
nevtralizacija s CO2 ali z dimnimi plini iz zgorevanja.
Postopek preračuna količine porabe izbranega nevtralizacijskega sredstva HCl je prikazan v
nadaljevanju.
(3.2)
Volumen rezervoarja oziroma mešalne posode:
(3.3)
Potreben je izračun potrebne raztopine sredstva za pranje na bazi NaOH.
HCl 32 %, gostote 1,1471 kg/dm3 pri temperaturi 40 °C.
Molska masa NaOH m = 40.
Molska masa HCl m = 36,5.
V bazi 0,785 m3 0.5 % raztopine NaOH je 3,9 kg NaOH.
(3.4)
Potrebna količina klorovodikove kisline:
(3.5)
(3.6)
Za 0,785 m3
0,5-odstotne raztopine potrebujemo 9,7l 32-odstotne HCl.
14
4 PREGLED ZAKONODAJE S PODROČJA ODPADNIH
VOD IZ PRALNICE PERILA
Z zakoni, ki smo jih pridobili ob vstopu v Evropsko unijo, se je na področju varstva okolja
marsikaj spremenilo. Področje odvajanja in čiščenja odpadnih vod urejata krovna zakona:
Zakon o varstvu okolja, Uradni list RS, 2004, št. 41, str. 4818 [8], z Zakonom o
spremembah in dopolnitvah Zakona o varstvu okolja, Uradni list RS, 2009, št. 108,
str. 14777 [9],
Zakon o vodah, Uradni list RS, 2002, št. 67, str. 7648 [10], z Zakonom o spremembah
in dopolnitvah Zakona o vodah, Uradni list RS, 2008, št. 57, str. 6199. [11]
Pravila ravnanja z odpadnimi vodami in splošne emisijske mejne vrednosti so predpisane v:
Uredbi o emisiji snovi in toplote pri odvajanju odpadnih vod v vode in javno
kanalizacijo, Uradni list RS, 2012, št. 64, str. 6392 [12],
ki določa:
mejne vrednosti parametrov odpadne vode,
ukrepe ter pogoje za preprečevanje in zmanjševanje emisij snovi in toplote pri
odvajanju odpadnih voda.
Imamo različne tipe odpadnih vod, zato so za tehnološke odpadne vode izdani še posebni
predpisi, ki se navezujejo na ravnanje z odpadnimi vodami iz pralnic perila:
Pravilnik o prvih meritvah in obratovalnem monitoringu odpadnih voda ter o pogojih
za njegovo izvajanje, Uradni list RS, 2011, št. 54, str. 7723. [13]
Uredba o emisiji snovi in toplote pri odvajanju odpadne vode iz naprav za pranje in
kemično čiščenje tekstilij, Uradni list RS, 2011, št. 51, str. 6974. [14]
V spodnji tabeli so povzete mejne vrednosti parametrov odpadne vode iz naprav za pranje
tekstilij.
15
Tabela 4.1: Mejne vrednosti parametrov odpadne vode iz naprav za pranje tekstilij
Parametri odpadne
vode Enota Mejne vrednosti za
iztok v vode
Mejne vrednosti za
iztok v kanalizacijo
Splošni parametri
Temperatura 30 40
pH-vrednost 6,5-9 6,5-9,5
Neraztopljive snovi 80 (*)
Usedljive snovi 0,5 10
(*) Mejna koncentracija neraztopljenih snovi in tenzidov v odpadni vodi je določena z
vrednostjo, pri kateri ni vpliva na kanalizacijo ali čistilno napravo. Določi se v
okoljevarstvenem dovoljenju na podlagi mnenja, ki ga pripravi upravljavec javne
kanalizacije in komunalne ali skupne čistilne naprave.
16
5 TEORETIČNE OSNOVE MEŠANJA
5.1 Tokovni režim
Pri vseh mešalnih napravah, namenjenim tekočinam, je treba obravnavati vsaj dva elementa.
Najprej moramo preprečiti območja mirovanja tekočine, in sicer s konvektivnim tokom.
Sekundarno je treba zagotoviti intenzivno mešanje, ki povzroči redukcijo nehomogenosti in
pospeši proces mešanja do zahtevane meje.
V večini primerov pretoka tekočin lahko tokovni reţim opišemo z laminarnim ali
turbulentnim tokom. [3]
Laminarno mešanje
Laminarni tok je pogosto povezan s tekočinami z visoko viskoznostjo. Če ţelimo laminarni
tok vzdrţevati, mora pri tipični stopnji vnosa energije imeti tekočina viskoznost višjo od 10
Pas. Vztrajnostne sile se v laminarnem reţimu pod vplivom visoke viskoznosti hitro izničijo.
Zato se v takih primerih uporabi mešala, ki zavzamejo večji deleţ posode, da se zagotovi
ustreznost mešanja. V bliţini stene mešal se nahajajo visoki hitrostni gradienti, kar povzroči
uspešno mešanje v okolici mešala. [3]
Turbulentno mešanje
V primeru turbulentnega tokovnega reţima prevladujejo vztrajnostne sile glede na viskozne
sile v tekočini. Najvišja stopnja mešanja je tik ob stenah mešala, kjer so te sile najvišje. Za
turbulentni tok je značilno naključno nihanje tlaka, hitrosti, koncentracije in temperature.
Kolmogorov je vpeljal teorijo izotropne in homogene turbulence, ki govori, da lahko tokovno
turbulentno polje opišemo kot superpozicijo glavnine toka in vrtinčnih struktur različnih
velikosti. [1, 3]
5.2 Učinkovitost mešanja
Mešalni čas je definiran kot čas, potreben za dosego mešanice z zahtevanimi lastnostmi,
medtem ko je hitrost mešanja oznaka za stopnjo, s katero se pribliţuje končnemu stanju
mešalnega procesa.
17
Opazujemo enostaven proces mešanja:
V mešalni posodi je enofazna tekočina, v katero se dodaja snov iste gostote in
viskoznosti. Za spremembo koncentracije zmesi v posodi je pomembna postavitev detektorja,
kot je prikazano na sliki 5.1. Ob znani količini in lastnostih dodane snovi lahko pred
pričetkom mešanja izračunamo končno koncentracijo , ki se bo vzpostavila v ravnoteţnem
stanju. Koncentracija v opazovani točki A (slika 5.2) se bo pribliţala ravnoteţnemu stanju,
kot je prikazano na sliki 5.2. [1, 3]
Slika 5.1: Postavitev zaznala [3]
Mešalni čas je definiran kot potreben čas od trenutka vnosa dodane snovi do trenutka,
ko bo koncentracija v točki A dosegla ravnoteţno stanje. Ta čas je odvisen od načina vnosa
dodane snovi in lokacije točke A. Koncentracija se pribliţuje na asimptotični način, kar
nam oteţi delo, saj nam ne podaja natančnosti rezultatov. Da bi odpravili vpliv, ki ga ima
poloţaj detektorja ob merjenju časa za mešanje, lahko opravimo dodaten preizkus, ki temelji
na snemanju koncentracije dodane snovi na več, recimo n-poloţajih. Kadarkoli lahko po teh
meritvah izračunamo varianco koncentracije glede na ravnoteţno vrednost:
∑ (
)
, (5.1)
kjer je koncentracija v času t zabeleţena z detektorjem i. Sprememba te variacije s
časom je vidna na sliki 5.2. Meritve lahko izvajamo na podlagi spremembe temperature,
električne prevodnosti, reakcije indikatorja/kisline/baze, lomnega količnika svetlobe ali na
podlagi absorpcije svetlobe. V vsakem primeru je treba specificirati način vnosa dodane
snovi, pozicijo in število merilnih točk ter določiti kriterija poskusa. [1, 3]
detektor
dodana snov
18
Slika 5.2: Spreminjanje koncentracije s časom [10]
V diplomskem delu bo za določevanje učinkovitosti premešanja uporabljena korelacija za
mešalni čas, ko se doseţe 95- in 99-odstotna homogenost. Korelacije so bile razvite v
Grenvillu leta 1992. [4] Mešalni časi so bili izmerjeni s tehniko, ki temelji na podlagi
prevodnosti, in sicer na različnih premerih posod: 0,30, 0,61, 1,83 in 2,97 m. Korelacija
temelji na eksperimentu z enim mešalom, ki se nahaja na 1/3 višine gladine tekočine.
Vključenih je bilo več različnih tipov mešal z različnimi premeri. [4]
a. Turbulentni režim
Korelacija za mešalni čas, ki se doseţe za 95-odstotno homogenost, je podana v naslednji
obliki:
⁄
(5.2)
V primeru, ko je razmerje med višino gladine in premerom posode enako, se enačba 5.2
zapiše v naslednji obliki:
⁄ (
)
(5.3)
Ker je Newtonovo število v turbulentnem področju konstantno, je izraz konstantna in je
korelacija neodvisna od Reynoldsovega števila. Enačbo lahko 5.3 lahko preuredimo v:
⁄
(5.4)
Če zgornjo enačbo pomnoţimo z ⁄ , dobimo:
⁄
(5.5)
čas
mešalni čas
Koncentracija variacije σ
2
19
⁄
(5.6)
Na levi strani enačbe 5.6 tako dobimo brezdimenzijski števili, Reynoldsovo in Newtonovo, na
desni strani pa brezdimenzijsko Fourierjevo število, ki podaja časovni prenos snovi.
Korelacije za mešalni čas se uporabijo pri načrtovanju novega mešala in uporabnosti ţe
obstoječega mešala v novem procesu. Pri načrtovanju novega procesa je treba določiti
velikost posode, fizikalne lastnosti tekočin in ţeleni čas za izračun ⁄ . S tem parametrom
se oceni, v katerem reţimu bo delovalo mešalo, bodisi v turbulentnem, laminarnem ali
prehodnem reţimu. Nato se korelacija uporabi za izračun ⁄ , kjer je potrebno poznati
tip in premer mešala, da se lahko izračuna vrtilna hitrost, potrebna za dosego mešalnega časa.
Kadar proučujemo ţe obstoječo mešalo, je tip rotorja, hitrost in premer znan s fizikalnimi
lastnostmi tekočin. Najprej izračunamo ⁄ in nato ⁄ , s katero izračunamo mešalni
čas.
Zasnova korelacije temelji na eksperimentu, v katerem je čas, potreben za dosego 95-
odstotne homogenosti, kjer relativna velikost nihanja koncentracije znaša 0,05; če ţelimo
zapisati enačbo za ţelen % homogenosti, uporabimo enačbo [4]:
( )
(5.7)
Za določitev mešalnega časa za 99-odstotno homogenost se uporabi enačba 5.7.
( )
(5.8)
(5.9)
20
Brezdimenzijska števila
a. Reynoldsovo število
Reynoldsovo število Re, ki ponazarja razmerje med vztrajnostno in viskozno silo, se za
primere v mešalnih posodah izračuna kot:
, (5.10)
kjer je gostota tekočine, n vrtilna hitrost rotorja, d premer rotorja mešalne posode in µ
dinamična viskoznost tekočine.
b. Število moči ali Newtonovo število
Število moči ali Newtonovo število je opredeljeno kot funkcija Reynoldsovega in Froudovega
števila. To število je v večini primerov dobljeno s pomočjo eksperimenta oziroma meritev
moči ter se ga nato izračuna po spodnji enačbi:
(5.11)
To brezdimenzijsko število zajame vpliv različnih tokovnih polj, geometrijskih razmer in
lastnosti tekočine. V zgornji enačbi je za izračun števila moči treba poznati mešalno moč, ki
jo lahko v primeru, ko imamo izdelano numerično simulacijo mešalne posode, izračunamo iz
navora, ki deluje na mešalo po naslednji enačbi:
(5.12)
c. Froudovo število
Froudovo število je opredeljeno kot razmerje vztrajnostnih sil z gravitacijskimi silami in je
podano z:
(5.13)
Froudovo število je pomemben parameter za študij gibanja vrtinčenja v mešalni posodi.
21
6 RAČUNALNIŠKA DINAMIKA TEKOČIN
Računalniška dinamika tekočin ali CFD (angl. Computional fluid dynamics) je numerična
simulacija gibanja toka različnih agregatnih stanj. Orodja računalniške simulacije se
uporabljajo v vseh področjih, kjer je pomembno gibanje toka neke snovi, kar je pomembno
pri procesih mešanja. Osnova računalniške simulacije so numerični modeli z enačbami
ohranitvenih zakonov in enačbami stanja tekočine. [15]
6.1 Vodilne enačbe
Kontinuitetna enačba (ohranitev mase)
Zakon ohranitve mase je izpeljan na osnovi ugotovitve, da je masa masnega sistema
konstantna veličina. Na sliki 6.1 je predstavljen tok tekočine z gostoto ρ preko šestih ploskev
nekega kontrolnega volumna. [15]
Slika 6.1: Kontrolni volumen tekočine [15]
Tok tekočine se opazuje v vseh treh koordinatnih smereh s hitrostmi vx, vy, vz. Skupna
vsota mas, ki pritekajo in odtekajo preko ploskev kontrolnega volumna, mora biti enaka nič.
( )( ) ( )( ) ( )( ) (6.1)
Zgornjo enačbo se deli z ( ) in zapiše v diferencialni obliki za stacionarni tok stisljive
tekočine:
(6.2)
Ker se gostota spreminja s časom, je treba zapisati razširjeno enačbo ohranitve mase:
22
(6.3)
Za tok nestisljive tekočine se dobi najenostavnejša oblika kontinuitetne enačbe. Ko je gostota
tekočine konstantna vrednost, velja za stacionarne in nestacionarne tokove [15]:
(6.4)
Zakon ohranitve gibalne količine
Enačbo ohranitve gibalne količine se zapiše za vse tri smeri koordinatnega sistema.
( )
( )
* (
)+ (6.5)
Na desni strani enačbe so tlačni gradient, gravitacijska sila, difuzijski člen in ostali
izvori in sile, ki vplivajo na sistem, na levi strani te enačbe pa konvekcijski členi.
Zakon ohranitve snovi
Rešitev enačb ohranitve snovi podaja mešanje več tekočin, zato je potrebnih več gibalnih
enačb, ki obravnavajo vsako tekočino posebej. Za snovi i´ z masnim deleţem ima enačba
ohranitve obliko:
( )
( )
(6.6)
Člen v enačbi predstavlja izvore, člen je vrednost porabe oziroma prirastka snovi v
določenih reakcijah. i-ta komponenta pa je komponenta difuzijskega toka i´. Pri
turbulentnem toku je soroden s koeficientom difuzije, ki je funkcija Schimdtovega števila.
[15]
Turbulentni modeli
V mešalnih posodah v primeru procesa nevtralizacije se v večini primerov srečujemo s
turbulentnim tokom.
(6.7)
23
V področjih turbulentnega toka se pojavijo oscilacije hitrosti in ostalih spremenljivk, kar
se upošteva pri preračunu gibalnih enačb s pomočjo turbulentnih modelov. Modeli se v
splošnem delijo v skupino integralnih in diferencialnih modelov. Diferencialni postopek
obravnave turbulence rešuje diferencialne enačbe, medtem ko je integralni postopek primeren
le za obravnavo preprostih striţnih tokov. Najpreprostejša delitev je glede na število dodatnih
enačb. Poznani so naslednji modeli turbulence [15]:
modeli ničtega reda,
enoenačbni modeli,
dvoenačbni modeli,
standardni k-ε model,
RNG k-ε model,
standardni k-ɷ model,
BSL k-ɷ model,
SST k-ɷ model,
LES (Large Eddy simulation) model,
RSM model (model Reynoldsovih napetosti).
V nadaljevanju bo podrobneje opisan uporabljen standardni k-ε model.
Standardni k-ε model je najbolj razširjen dvoenačbni turbulentni model. Diferencialni enačbi,
ki ju je treba dodatno reševati, sta enačba za disipacijsko hitrost turbulentne kinetične energije
ε (6.8) in turbulentno kinetično energijo k (enačba 6.9) [15]:
( )
( )
(
)
(6.8)
( )
( )
(
)
(6.9)
Števila , in so empirične konstante. Člen je
generacijsko število turbulence, ki vsebuje produkt gradientov hitrosti in je odvisno od
turbulentne viskoznosti:
(
)
(6.10)
Turbulentna viskoznost se izračuna s pomočjo k in ε ter eksperimentalno dobljenega števila
24
(6.11)
6.2 Diskretizacija računskega območja
Računska mreţa ima dve osnovni funkciji, definira geometrijo in diskretizira domeno
reševanja. Mreţa sestoji iz elementov različnih velikosti in oblik. V 2D-področjih so prikazani
elementi oblike štirikotnikov in trikotnikov. V 3D domeni pa so prikazani prostorski elementi
oblike tetraedrov, prizem, piramid ali heksaedrov. Ti elementi zapolnijo površine in volumen
izbranega računskega območja. Vsak element računskega polja je opisan z njegovimi
geometrijskimi ali mreţnimi točkami, ki opišejo geometrijo elementa in vozliščnimi točkami
v katerih se računajo vrednosti izbranih funkcij (tlak, temperature, hitrosti …). Nivo detajlov
modelirane geometrije vpliva na čas, velikost in kompleksnost numerične mreţe. Točnost
reševanja diskretnih enačb je odvisna od števila elementov oziroma od vozliščnih točk mreţe,
v katerih se išče rešitev enačb. Pri numerični simulaciji se teţi k večji točnosti, gostota mreţe
se spreminja lokalno, povečuje se v področjih velikih prostorskih in časovnih gradientov
reševalnih veličin. Splošno mora biti gostota celic v računski mreţi dovolj fina, da zajame
podrobnosti pretoka, ampak ne pretirano veliko število celic, saj smo omejeni z
računalniškimi resursi. [4]
Slika 6.2: Različne oblike strukture mreţe [4]
25
7 NUMERIČNA ANALIZA IN NAPOVED OBRATOVALNIH
KARAKTERISTIK
7.1 Geometrija
Geometrija obravnavane mešalne posode za nevtralizacijo je podana na slikah 7.1 in 7.2.
Višina mešalne posode je enaka višini tekočine 1 m. Odmik mešala od dna posode s
premerom d = 0,25 je E=D/4. Premer posode znaša D = 1 m. Geometrija je bila izdelana s
pomočjo programskega paketa ANSYS Geometry. Zajemala je dve ločeni računski območji,
ki sta nam pozneje omogočali uporabo numerične analize rotirajočih se območij.
Slika 7.1: Skica mešala
Slika 7.2: Tloris in stranski ris turbinskega mešala
26
7.2 Računska mreža
Rezultat numerične analize je precej odvisen od strukture mreţe. Za izdelavo računske mreţe
je bil uporabljen programski paket ANSYS CFX-Mesh. Izdelani sta bili dve ločeni računski
mreţi za mirujoče območje in rotirajoče območje posebej (slika 7.3). Ko obe računski mreţi
umestimo skupaj, nam tvorita celotni volumen tekočine v mešalni posodi. Mreţa je bila
sestavljena iz tetraedrskih elementov.
Slika 7.3: Mreţa referenčnega sistema (rotirajoče območje − levo in mirujoče območje −
desno)
Za analizo neodvisnosti rezultatov od računske mreţe smo izbrali tri različne gostote mreţe.
Slika 7.4: Prikaz diagramov obratovalne karakteristike turbinskega mešala s poševnimi
lopaticami pri treh različnih gostotah mreţe
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0 10 20 30 40 50 60
kon
cen
traci
ja H
Cl
čas [s]
fina
srednja
groba
27
Na sliki 7.4 je prikazana koncentracija HCl v eni točki mešalne posode glede na čas. Vidimo,
da se rezultati srednje in goste mreţe ţe precej dobro ujemajo in se zaradi krajših računskih
časov in manjših potreb po računalniških zmogljivostih izvede izračun s srednjo gostoto
računske mreţe, ki ima 1.131.127 elementov in 268.396 vozliščnih točk.
7.3 Nastavitve numerične simulacije
Za numerično reševanje transportnih enačb je treba vnaprej določiti vrednosti določenih
parametrov v robnih točkah računskega področja. Za ustrezen potek izračuna je treba določiti
vrsto še drugih parametrov, npr. referenčni sistem, turbulentni model itd.
Vsem ploskvam računskega področja je treba predpisati določene lastnosti. V programu
ANSYS CFX-Pre smo nastavili vse parametre, s katerimi kontroliramo potek simulacije pred
procesiranjem. Prvi korak je definiranje računskega področja (domain). V našem primeru
zadostujeta dve področji, in vsaka zavzema svoj del računske mreţe. Stacionarni del zavzema
rezervoar, rotirajoči del pa mešalo. Nastavili smo splošne parametre za računsko območje in
numerične modele za izračun tokovnih razmer.
Računsko področje je zapolnjeno z dvema različno snovnima tekočinama; z 32-odstotno
klorovodikovo kislino s kemijsko formulo HCl in z vodo (H2O). Agregatno stanje mešanice,
ki jo uporabljamo v namene nevtralizacije, je kapljevito in ga bomo obravnavali kot tekočino.
Poiskali smo podatke za molsko maso, dinamično viskoznost in gostoto pri temperaturi 313
K. Upoštevan je bil vpliv teţnosti, ki bistveno vpliva na razmere v računskem področju,
izbran je bil atmosferski tlak, k-ε turbulentni model. Tok je bil upoštevan kot izotermi pri
temperaturi 40 C, kolikšna je bila temperatura odpadne vode iz pralnice perila.
Mešalo se vrti s hitrostjo 100 vrt/min-1. Ţe v prejšnjem poglavju je bilo zapisano, da je
bila računska mreţa sestavljena iz dveh delov, ki se stikata na vmesnih stičnih površinah. Na
teh površinah je treba predpisati posebni robni pogoj, ki omogoča povezavo spremenljivk ene
mreţe v drugo. Ker imamo na eni strani območje, kateremu smo predpisali vrtilno hitrost, in
na drugi strani mirujoče območje, mora model, ki bo uporabljen na tej vmesni površini, vedeti
oz. upoštevati predpisano vrtilno hitrost. Ker je bila simulacija časovno odvisna, smo izbrali
model transient rotor-stator. Ta model upošteva tudi dejansko premikanje območja, ki smo ga
definirali kot rotirajočega in v časovnem koraku tudi zavrti mreţo omenjenega območja.
Časovni korak je bil nastavljen tako, da se mešalo v enem časovnem koraku zavrti za 10 . Kar
28
glede na predpisano vrtilno hitrost mešala 100 vrt/min pomeni naslednji časovni korak, ki
smo ga poimenovali tstep:
(7.1)
Začetna porazdelitev volumskega deleţa vode in HCl je bila podana z naslednjo enačbo:
(( ) (7.2)
Postopek za izračun višine tekočine HCl v mešalni posodi sledi iz potrebnega volumna HCl v
mešalni posodi po enačbi:
(7.3)
Celotni sistem nevtralizacije je bil poenostavljen, saj je bil obravnavan zaprt sistem
mešanja, ki ni vključeval vstopnih in izstopnih cevovodov, simulacija pa je bila izvedena, kot
da se proces odvija šarţno.
29
8 REZULTATI
Z ustreznimi robnimi pogoji lahko okoli celotnega območja rotorja z numerično simulacijo
računalniške dinamike tekočin napovemo obnašanje tako kvantitativno (dejanska hitrost
magnitude) kot kvalitativno (tokovno polje).
V nastavitvah izračuna smo si nastavili 7 merilnih točk, ki so prikazane na sliki 8.1. V teh
točkah smo ţe tekom izračuna spremljali potek koncentracije HCl. Vrednost nam je sluţila
kot kriterij ustaljenih razmer v mešalni posodi, kot tudi kriterij za določitev premešanja.
Točka x [m] y [m] z [m]
0 0 0 0
1 0,2 0,6 0
2 0,2 0,25 0
3 0,2 0,1 0
4 0,4 0,6 0
5 0,4 0,25 0
6 0,4 0,1 0
7 0 0,1 0
Slika 8.1: Prikaz spremljajočih točk
Potek izračunavanja enačb v računskem območju nam prikazuje potek konvergence vodilnih
enačb. Rešitev je konvergirala, in sicer je bila napaka izračuna pod 10-4
, kar je bil zadovoljiv
kriterij (slika 8.2).
0
1
2
4
5
3 6 7
30
Slika 8.2: Konvergenca vodilnih enačb
8.1 Mešalni čas
Mešalni čas je bil analiziran na osnovi skalarnega polja volumskega deleţa HCl. V prečnem
prerezu smo spremljali prostorski standardni odklon volumskega deleţa kot funkcijo časa. V
začetku simulacije pri času t = 0 s sta obravnavani tekočini HCl in H2O zaradi razlike v
gostoti ločeni, kot je prikazano na sliki 8.3.
Slika 8.3: Začetno stanje mešanice HCl in H2O
Mešalni čas obravnavanega turbinskega mešala s tremi poševnimi lopaticami je predvsem
odvisen od Reynoldsovega ter od Newtonovega števila, ki smo ga izračunali iz navora dane
31
simulacije. Pri izračunu vrednosti Newtonovega števila (enačba 5.11) smo za vrednost navora
vzeli povprečno vrednost navora med časom 90 in 126 sekund (slika 8.4), kar predstavlja 60
vrtljajev mešala. Postopek izračuna je naslednji:
(8.1)
(8.2)
Slika 8.4: Sprememba navora s časom
Ker je tok turbulenten, lahko iz teorije rečemo, da je Newtonovo število konstantna vrednost v
tem tokovnem reţimu. Iz izračunanega števila moči smo s pomočjo enačb 5.2–5.9 določili še
teoretične mešalne čase, pri čemer smo Reynoldsova števila preračunali po enačbi 5.10.
Tabela 8.5: Analitično določeni mešalni časi za različne vrtilne hitrosti in stopnje
homogenosti
Stopnja
homogenosti
n[vrt/min-1
]
40 80 100 150
95 % 183,48 s 91,74 s 73,61 s 49,17 s
99 % 281,93 s 140,96 s 113,11 s 75,56 s
99.5 % 324,27 s 162,14 s 130,10 s 86,90 s
99.9 % 423,42 s 211,71 s 169,88 s 113,48 s
Analitični rezultati mešalnih časov glede na različne stopnje homogenosti v odvisnosti od
časa in števila vrtljajev so podani v tabeli 8.1 in v grafični obliki na sliki 8.5. Iz izračunanih
rezultatov je razvidno, da se z večanjem vrtljajev mešala vpliva na čas mešanja. Večja vrtilna
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0 20 40 60 80 100 120 140 160
nav
or
[N.m
]
čas [s]
navor
32
hitrost predstavlja krajši mešalni čas. Seveda pa se z večanjem vrtilne hitrosti povečajo
mešalne moči, kar nam pove ţe sama enačba 5.11 za izračun mešalne moči.
Slika 8.6: Sprememba stopnje homogenosti v odvisnosti od časa in števila vrtljajev
Slika 8.7: Sprememba volumskega deleţa HCl glede na čas mešanja
Rezultati izvedene numerične simulacije so na sliki 8.6 prikazani v izbranih točkah mešalne
posode. Rezultati numerične simulacije, prikazani na sliki 8.6, se kvalitativno ujemajo z
analitično izračunanimi mešalnimi časi, podanimi na sliki 8.5, in sicer vidimo, da pride pri
vrtilni hitrosti mešala 100 vrt/min do premešanja v posameznih točkah šele po 100 sekundah
mešalnega časa. Pri primerjavi rezultatov vidimo, da se v točki 7, ki leţi pod mešalom,
dogajajo največje nestabilnosti v toku. Pri simulaciji je bilo mešalo odmaknjeno od dna
posode za D/4, kar v spodnjem delu mešalne posode pod mešalom definira tudi tokovno polje,
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
40 80 100 150
čas
[t]
vrtilna hitrost rotorja [rpm]
95% homogenost
99% homogenost
99,5% homogenost
99,9% homogenost
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0 50 100 150
Kon
cetr
aci
ja H
CL
čas [s]
pozicija 1
pozicija 2
pozicija 3
pozicija 4
pozicija 5
pozicija 6
pozicija 7
33
ki je prikazano na sliki 8.7. Iz časovnih rezultatov tokovnega polja se tak tokovni vzorec, kot
je prikazan na sliki 8.9, vzpostavi šele po 13 sekundah. Pri tem se ustvari dodatna
cirkulacijska zanka, kot je prikazano na sliki spodaj.
Slika 8.8: Vektorsko polje hitrosti pod turbinskim mešalom s poševnimi lopaticami pri času
18 sekund.
8.2 Tokovno polje
Mešanica klorovodikove kisline in vode je na začetku ločena, kot je prikazano na sliki 8.9, pri
čemer obe tekočini v posodi mirujeta. Po začetku simulacije se mešalo oz. rotirajoče območje
takoj prične vrteti s 100 vrt/min in povzroči prenos kinetične energije iz mešala na tekočino.
Mešalo pri tem ustvari tokovno polje s štirimi cirkulacijskimi zankami. Dve leţita nad ravnino
in dve pod ravnino mešala. V začetku obratovanja mešala, ko tok še ni razvit in je tokovno
polje laminarno in prehaja v turbulentni reţim, rezultati simulacije nakazujejo, da turbinsko
mešalo črpa tekočino radialno namesto aksialno. Najvišja hitrost toka je v bliţini rotorja in se
z oddaljenostjo od mešala zmanjšuje. Slika 8.7 grafično prikazuje vektorsko polje mešala pri
času t je 18 s.
34
Slika 8.9: Tloris prečnega prereza mešalne posode
Slika 8.10: Prikaz vektorskega polja pri času 18 sekund
V časovno odvisni obratovalni simulaciji so zaznavni vsi trije reţimi toka: laminarni,
prehodni in turbulentni tok. Tokovno polje v mešalni posodi v realnosti nikoli ne bo postalo
stacionarno, temveč se bo spreminjalo v vsakem časovnem koraku, pride pa do časovnega
ponavljajočega se pojava (kvazistacionarno polje).
35
Slika 8.11: Prikaz tlačnega in vektorskega polja
Slika zgoraj prikazuje tlačno in vektorsko polje v območju mešanja, kjer je za lopaticami
mešala vidno območje podtlaka in visokih hitrostnih gradientov v času t =160 s.
Na sliki 8.11 so podani volumski deleţ HCl in vektorji tokovnega polja pri času 140 s, 150 s
in 160 s. Razvidni sta nestabilnost in asimetričnost tokovnega polja. Iz rezultatov je moţno
razbrati, da se zgornji del mešalne posode homogenizira najpozneje. Razvidno je, da je
mešanje tik ob osi mešala najmanj intenzivno predvsem proti gladini, kjer bo verjetno najteţje
doseči visoko homogenost.
a) 140 s
36
b) 150 s
c) 160 s
Slika 8.12: Prikaz vektorskega polja hitrosti s koncentracijo tehnične kisline v prerezu v
prečni ravnini turbinskega mešala s poševnimi lopaticami pri različnih časih mešanja
37
9 DISKUSIJA
Osnovni namen naloge je bil proučiti proces nevtralizacije odpadne vode iz pralnice perila, ki
je bila izveden s procesom mešanja. V ta namen je bilo uporabljeno aksialno turbinsko mešalo
s poševnimi lopaticami.
Za analiziranje učinkovitosti mešala smo uporabili računalniški programski paket
ANSYS, pri katerem se je izkazalo, da to mešalo daje zadostne rezultate. Simulacija
turbulentnega toka nakazuje, da ima časovno-odvisno tokovno polje turbinskega mešala,
majhno relacijo s tokovnim poljem tranzicijskega in laminarnega v mešalni posodi, zato je
bilo treba izvesti daljše računske čase, da se izoblikuje kvazi-stacionarno tokovno polje. Po
določenem času tokovno polje ustali in se izoblikuje vzorec aksialnega tokovnega polja.
Rezultati volumskih deleţev HCl v posameznih točkah mešalne posode se kvalitativno
ujemajo z izračunanimi mešalnimi časi, kar nam daje izhodišče pri konstruiranju tovrstnih
naprav in procesov.
V nadaljevanju bi bilo treba upoštevati kontinuirano obratovanje mešalne posode, s tem da bi
predpisali tudi vstopne in izstopne odprtine v mešalno posodo. Prav tako bi bilo treba
spremeniti poloţaj mešala po višini mešalne posode in proučiti oz. poiskati najugodnejšo
postavitev za preprečitev neučinkovitih mešalnih območij.
38
10 SKLEP
V nalogi smo s pomočjo računalniške simulacije toka v mešalni posodi s turbinskim mešalom
s poševnimi lopaticami prikazali tokovne razmere.
Iz dobljenih rezultatov obratovalnih karakteristik je prikazano, da smo dosegli cilj in
prikazali, da lahko z uporabo numerične simulacije učinkovito vizualiziramo oziroma
proučujemo dogajanje v mešalni posodi ter tako nadomestimo eksperimentalno izvedbo
mešalnega reaktorja. S pomočjo take analize lahko zagotovimo boljše delovanje sistema in
posledično tudi doseganje zakonskih smernic.
39
11 VIRI
[1] M. Hriberšek. Procesna tehnika, 1. del: osnove, mešanje in sušenje. Maribor: Fakulteta
za strojništvo, 2005.
[2] TSS Water Course. Modul 11: Waste Neutralization. [svetovni splet]. Dostopno na
http://www.tectrapro.com/other_files/Manuals/waste.pdf [22. 7. 2014]
[3] N. Harnby, M. F. Edwards, A. W. Nienow. Mixing in the process Industries.
Butterworth & Co, 1985.
[4] E. L. Paul, V. A. Atiemo-Obeng, S. M. Kresta. Handbook of industrial mixing: science
and practice. John Wiley & Sons, Inc., 2004.
[5] Kemijska tehnologija: učno gradivo za 3. letnik programa »kemijski tehnik«. Šolski
center Novo mesto. [svetovni splet]. Dostopno na http://www.sc-
nm.si/szks/file/open/416_483f74deddb9/ket3 [26. 8. 2014]
[6] M. Roš, M. Simonič, S. Šoštar Turk. Priprava in čiščenje vod. Maribor: Fakulteta za
strojništvo, 2005.
[7] A. Lobnik. Navodila za vaje pri predmetu Ekologija in okoljevarstvo – študijsko leto
08/09. Maribor: Fakulteta za strojništvo.
[8] Ukaz o razglasitvi Zakona o varstvu okolja. Uradni list RS, 2004, št. 41, str. 4818.
[9] Ukaz o razglasitvi Zakona o spremembah in dopolnitvah Zakona o varstvu okolja.
Uradni list RS, 2009, št. 108, str. 14777.
[10] Ukaz o razglasitvi zakona o vodah. Uradni list RS, 2002, št. 67, str. 7648.
[11] Ukaz o razglasitvi Zakona o spremembah in dopolnitvah Zakona o vodah. Uradni list
RS, 2008, št. 57, str. 6199.
[12] Uredbi o emisiji snovi in toplote pri odvajanju odpadnih voda v vode in javno
kanalizacijo. Uradni list RS, 2012, št. 64, str. 6392.
[13] Pravilnik o prvih meritvah in obratovalnem monitoringu odpadnih voda ter o pogojih
za njegovo izvajanje. Uradni list RS, 2011, št. 54, str. 7723.
[14] Uredba o emisiji snovi in toplote pri odvajanju odpadne vode iz naprav za pranje in
kemično čiščenje tekstilij. Uradni list RS, 2011, št. 51, str. 6974.
[15] M. Zadravec. Numerična analiza tokovnih razmer v mešalni posodi, Diplomsko delo,
Univerza v Mariboru, Maribor 2004.
[16] B. Kraut. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila Joţe
Puhar, Joţe Stropnik. Ljubljana: Littera picta, 2007.
Recommended