هتفای دوبهب Wemco cell عون (IGF)ییاقلا زاگ یزاسروانش نزخم

هفدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی گاه فردوسی مشهددانش -1400 شهریور 18الي 16

بهبود یافته Wemco cellنوع (IGF)مخزن شناورسازی گاز القایی CFDسازی مدل

3پوراد عبدالهسج، 2**,مهدی نظری صارم، 1*,حامد نظیری فیروزسالاری 75پلاک –بن بست مهدوی -نرسیده به شریعتی -خیابان صائب -تبریز-شرقیآذربایجان –شرکت آذرانرژی تبریز

*[email protected] **[email protected]

چكیده شناورسازی هوا درون یک مخزن شناورسازی با گاز القایی با طرح CFDسازی در این مطالعه مدل

Wemco cell پخش پرداخته شده است. ساختار پروانه آن از حالت متداول تغییر یافته و در جهت افزایشاست. این مخزن به صورت پایلوت در شرکت آذر انرژی تبریز ها بهبود یافتهحباب و کاهش قطر حباب

آن CFDسازی به منظور بررسی عملکرد آن و مدل cm90و ارتفاع cm100، عرض cm142به طول های بساخته شده است.عملکرد این دستگاه به منظور جداسازی روغن، نفت و مواد جامد معلق در پسا

به بررسی پروفایل CFDسازیباشد. در این بررسی با مدلصنعتی در واحدهای تصفیه پساب میباشد و پروفایل فشاری مخزن سرعت گاز و مایع، کسر حجمی گاز پخش شده که به صورت حباب می

ه نشان ای را از این دستگاسازی، عملکرد مناسب و بهینهخته شده است. نتایج بدست آمده از مدلپردااستفاده K-ɛ سازی از مدل توربولنسیانجام شده. در مدل comsolسازی توسط نرم افزار . مدلدهدمی

برای بررسی تلاطم در مخزن استفاده شده است. RANSشده و از معادلات

و لاب، پساب نفتی، تصفیه فاضinduced gas flotation(IGF)، با گاز القایی شناورسازی ،CFDسازی مدل هاي كلیدي:واژه روغنی

مقدمه -1

ای در صنایع معدنی برای ای است که به طور گستردهشیمیایی پیچیده-شناورسازی یک فرایند فیزیکیسازی دوست، در واحدهای تصفیه فاضلاب جهت جداگریز معدنی از مواد آبجداسازی مواد آب

وفاضلاب به کار . فرایند شناورسازی غالبا در تصفیه آب[3]–[1]شودروغن و گریس استفاده می

های هوا شوند و حبابهای آلوده به روغن و ذرات جامد وارد مخزن شناورسازی میرود. آبمیها در داخل مخزن شوند. با چرخش پروانه و اختلاط جریان حبابهمراه با قطر کم تزریق می

ها چسبیده و با ها به آنبه سبب برخورد با حباب قشناورسازی، قطرات روغن و مواد جامد معل شود.ها به سطح مایع، سبب شناورسازی قطرات روغن و مواد جامد معلق میصعود حباب

های است. حبابتشکیل شده ،منطقه آرام-2مطقه واکنش -1یک مخزن شناورسازی از دو منطقه کلی ها به منطقه آرام، شوند و با صعود این حبابمی آزاد شده در تماس با آب آلوده در منطقه واکنش پخش

. [4]گیردجداسازی صورت می

، تبریز، ایرانمدیرعامل شرکت آذرانرژی تبریز کارشناسی مهندسی شیمی، -1

ایران تهران، سی نفت، دانشکده فنی مهندسی، واحد تهران مرکز، دانشگاه آزاد اسلامی،استادیارگروه مهند -2

ایران تهران، شکده فنی دانشگاه تهران،جوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی،داندانش -3


شود. انواع ها کنترل میمکانیسم شناورسازی گازتوسط اختلاف دانسیته بین ذرات معلق و حباب باشد. ترین آن هوا میگیرد که عمدهرار میمختلف گازها در شناورسازی مورد استفاده ق

های گاز پراکنده، با القای یا به اصطلاح، سیستم (induced gas flotation(IGF))القاییشناورساز با گاز کند. در دو نوع مکانیکی و هیدرولیکی موجود های گاز عمل میگاز درون مخزن و پخش حباب

پروانه با سرعت بالا، سبب تولید گرداب و القای گاز های مکانیکی بوسیله چرخشباشند. سلمیاجکتوری، سبب ایجاد -های هیدرولیکی باسیستم ونتوریشوند. در سمت دیگر سلدرون مخزن می

شوند.حباب درون مخزن می

های تولید شده، قطر قطرات روغن و مواد جامد، نقش بسیار موثری در اندازه ذرات، مانند قطر حبابکوچکتر به دلیل سطح وسیعی که برای چسبیدن قطرات ها با اندازهگاز دارند. حبابشناورسازی

ها با اندازه روغن دارند، بازدهی بالایی را برای جداسازی در پی دارند. از طرف دیگر، حباببزرگتر، سرعت صعود بالاتری دارند که نتیجه آن کاهش برخورد بین ذرات روغن و مواد جامد با

.[5]باشد که کاهش بازده جداسازی را در پی خواهد داشتیها محباب

باشد که هرکدام اختراع و ساخت القایی در انواع مختلف موجود میهای شناورسازی گاز سل 1993که در سال (bateman cell)های باتمنها، سلهای مختلف هستند. از جمله معروفترین آنشرکت

از گروه کراس (dorr-oliver)الیور-های درسل ابداع شدند. (bateman)مسلادی توسط شرکت باتمنو OK ،OK-TC که طرح معروف (outocumpu cell)های اتوکامپو، سل (krauss-maffie group)مافی

HG ،های اسویدالاهای مختلفی از پروانه هستند. سلطراحی(svedala cell) های ساخت مشترک شرکتهای شناورسازی ومکو باشند. سلمی (sala cell)لو سالا س (Denver equipment)تجهیزات دنور

smartو design 1+1دارای دو طرح (baker process)توسط شرکت بیکر پروسس (wemco cell)سل

design های شناورسازی ومکوباشد. طبق مطالعات انجام شده سلمی(wemco cell) دارای عملکرد ،بنابراین در این مطالعه به بررسی این نوع سل باشد. بهینه و پربازده تری در شناورسازی می

.[6]شناورسازی خواهیم پرداخت

های تجربی بدست های شناورسازی و پارامترهای عملیاتی آن، عمدتا توسط دادهاصول طراحی سلای بدست آمده که اجازه سازی رایانههای بزرگی در زمینه مدلآید. در چند دهه گذشته پیشرفتمی

دهد. این های میسازی جریانرا برای مدل (CFD)سباتیهای دینامیک سیالات محااستفاده از روشهای شناورسازی، متغیرهای عملیاتی و نمایش نحوه سازی سلروش نیز نتایج در طراحی و مدل

ها در تواند امکان درک الگوی جریانهمچنین می CFDسازی مدل دهد.ها را میعملکرد این سیستممایع را فراهم کند. بنابراین، این روش در کنار روش ها را درسل شناورسازی و اختلاط حباب

.[9]–[7]تجربی در طراحی این تجهیزات بسیار کمک کننده و قابل اتکا خواهد بود، امکان اصلاح تجهیزات و عملیات موجود CFDسازی درک فیزیکی جریان با استفاده از روش مدل

–[10]سازدمیرا در جهت بهبود عملکرد دستگاه و افزایش جداکثری بازده جداسازی دستگاه فراهم

سازی بدون انجام های شناوراین روش فرصتی را برای تجزیه تحلیل عملکرد سل . همچنین[12]آورد، که این خود سبب صرفه جویی در وقت و هزینه خواهد های تجربی را فراهم میآزمایش

.[13]شدمشخصات جریان سیال در داخل سل شناورسازی، کلید اصلی طراحی و عملکرد سل شناورسازی است. هیدرودینامیک جریان سیال در داخل سل شناورسازی به طور قابل توجهی بر

.[14]گذاردذرات و قطرات روغن و بازده دستگاه تاثیر می شناورسازی

شرح مدل -2این مطالعه از در. [15]انداستخراج شده (wemco)ابعاد مخزن و اندازه گروانه از مقاله شرکت ومکو

استفاده شده است. مخزن شناورسازی به 1نشان داده شده در شکل wemco cellیک سل شناورسازی


( به قطر کلی 2که دارای یک پروانه )شکل cm 90و ارتفاع cm 100و به عرض cm 142ول طcm 30 دارای دو پره به عرض ،cm 6 و ارتفاعcm 20 باشد. سقف پره از سطح مایع میcm 19

cmاست، با فاصله cm 1هایی به قطر مخروطی شکل که دارای سوراخ (hood)فاصله دارد. یک هود

9از سطح مایع، بر روی پره محاط شده است. سطح مقطع پروانه به شکل دایره که دارای 15باشد، که جهت القای و ورود هوا یا گاز در نظر گرفته شده است. سوراخ منتهی به لوله هوادهی می

ها به داخل مخزن درمیله استوانه ای افقی جهت انتقال یکنواخت جریان حباب 9همچنین هول پروانه توسط یک الکتروموتور در حال چرخش r/min 420 نظر گرفته شده است. پروانه با سرعت ثابت

.باشدمی

بهبودیافته Wemcoساختار و ابعاد مخزن شناورسازی باطرح -1شکل

از نمای پایین و جانبی wemcoساختار پروانه بهبود یافته ساختاری -2شکل

انتخاب شده و K-ɛجام شده است. مدل استاندارد تلاطم ان comsolافزار در نرم CFD سازیمدلگیری معادلات ناویر استوکس توسعه که بر اساس میانگین، RANSمعادلات تلاطم با استفاده از روش

پردازند.دار مییافته اند. این معادلات به بررسی اثر جریان مغشوش سیال در مخازن همزنثانیه 25ست و نتایج برای زمان های صفر ثانیه)لحظه شروع(، ثانیه انجام شده ا 50سازی برای مدل شوند.ثانیه نمایش داده می 50و

نتایج -3

ها( در لحظه شروع به حرکت ، پروفایل سرعت فاز مایع و فاز گاز)حباب4و شکل 3باتوجه به شکللکرد این دستگاه به است. همانطور که گفته شده، عمنمایش داده شده 50و 25های پروانه و در ثانیه

از تجمیع (floc)فلوک ای است که با شناورسازی موادجامدمعلق و قطرات روغن، سبب تشکیلگونهشود. به این دلیل هرگونه اغتشاش در سطح مایع، سبب کاهش میزان ها درسطح مایع میاین آلاینده


گونه ها(، هیچز)حباببازده جداسازی خواهد شد. باتوجه به میزان و پروفایل سرعت مایع و گا دهد.اغتشاشی در سطح مایع دیده نشده و عملکرد مناسب این دستگاه را نشان می

و ثانیه ام 25یه ثان ها( در سه زمان مختلف لحظه شروع،، کسر حجمی گاز)حباب5توجه به شکل باناورسازی های ریز از مقطع پروانه وارد مخزن شام نشان داده شده است. هوا به صورت حباب 50

های هوا باتوجه به قانون استوکس، به سطح شود. حبابشده و با چرخش پروانه در مخزن پخش میها چسبیده و در سطح مایع ها، قطرات روغن و مواد جامد معلق به آنآب صعود کرده و با صعود آن

ها ی آلایندهها، برای تشخیص صعود و شناورسازشوند. بنابراین درک الگوی صعود حبابشناور می باشد.ضروری می

ام نشان 50ام و ثانیه 25، پروفایل فشاری مخزن را در لحظه شروع حرکت،ثانیه 6باتوجه به شکلدهد. میزان فشار در مقطع پروانه و در نقطه ورود هوا در ابتدای حرکت پروانه، منفی است. با می

خل مخزن و در مقطع پروانه، عامل اصلی ، میزان اختلاف فشار ایجاد شده در دا2و1توجه به روایط باشد. به عبارت دیگر، هوا یا گاز در اثر فشار منفی ایجاد شده در القای هوا یا گاز به داخل مخزن می

شود.ایجاد خلاء نسبی در مقطع پروانه، به داخل مخزن القا میاثر چرخش پروانه و

H0 = – H )1(

H = انهارتفاع تغریق پرو V = سرعت چرخش پروانه

∆P = (2) v=ویسکوزیته سینماتیکی

Q = دبی گاز

L= طول پروانه

D= قطر پروانه

پروفایل سرعت گاز در سه زمان مختلف -3شکل

پروفایل سرعت مایع در سه زمان مختلف -4شکل


کسر حجمی گاز در سه زمان مختلف -5شکل

فایل فشاری مخزن در سه زمان مختلفپرو -6شکل

گیرینتیجه -4توانند گزینه مناسبی برای اورساز میهای شن، دستگاهCFDسازی باتوجه به نتایج بدست آمده از مدل

باتوجه به wemco cell های صنعتی باشند. همچنین مدلجداسازی روغن و مواد جامد از پساب ها دارد.ا در جداسازی این آلایندهساختار منحصربفرد خود بازده مناسبی ر

مراجع[1] A. Ghaffari and M. Karimi, ‘Numerical investigation on multiphase flow simulation in a

centrifugal flotation cell’, Int. J. Coal Prep. Util., vol. 32, no. 3, pp. 120–129, 2012.

[2] O. Mirgaux, D. Ablitzer, E. Waz, and J. Bellot, ‘Mathematical modeling and computer

simulation of molten aluminum purification by flotation in stirred reactor’, Metall. Mater. Trans.

B, vol. 40, no. 3, pp. 363–375, 2009.

[3] M. Sattar, J. Naser, and G. Brooks, ‘Numerical simulation of slag foaming in high temperature

molten metal with population balance modeling’, Procedia Eng., vol. 56, pp. 421–428, 2013.

[4] M. Kostoglou, T. Karapantsios, and K. Matis, ‘CFD model for the design of large scale flotation

tanks for water and wastewater treatment’, Ind. Eng. Chem. Res., vol. 46, no. 20, pp. 6590–6599,

2007.

[5] J. Saththasivam, K. Loganathan, and S. Sarp, ‘An overview of oil–water separation using gas

flotation systems’, Chemosphere, vol. 144, pp. 671–680, 2016.

[6] B. Gorain, J. Franzidis, and E. Manlapig, ‘Flotation Cell Design: Application of Fundamental

Principles’, Julius Kruttschnitt Miner. Res. Cent. Indooroopilly Qld. Aust., 2000.

[7] D. Chakraborty, M. Guha, and P. Banerjee, ‘CFD simulation on influence of superficial gas

velocity, column size, sparger arrangement, and taper angle on hydrodynamics of the column

flotation cell’, Chem. Eng. Commun., vol. 196, no. 9, pp. 1102–1116, 2009.


[8] T. Liu and M. Schwarz, ‘CFD-based multiscale modelling of bubble–particle collision efficiency

in a turbulent flotation cell’, Chem. Eng. Sci., vol. 64, no. 24, pp. 5287–5301, 2009.

[9] D. Wadnerkar, R. P. Utikar, M. O. Tade, and V. K. Pareek, ‘CFD simulation of solid–liquid

stirred tanks’, Adv. Powder Technol., vol. 23, no. 4, pp. 445–453, 2012.

[10] P. Koh, M. Manickam, and M. Schwarz, ‘CDF simulation of bubble-particle collisions in

mineral flotation cells’, Miner. Eng., vol. 13, no. 14–15, pp. 1455–1463, 2000.

[11] P. Koh and M. Schwarz, ‘CFD modelling of bubble–particle collision rates and efficiencies in a

flotation cell’, Miner. Eng., vol. 16, no. 11, pp. 1055–1059, 2003.

[12] P. T. Koh and M. Schwarz, ‘CFD model of a self-aerating flotation cell’, Int. J. Miner. Process.,

vol. 85, no. 1–3, pp. 16–24, 2007.

[13] A. Sarhan, J. Naser, and G. Brooks, ‘CFD modeling of three-phase flotation column

incorporating a population balance model’, Procedia Eng., vol. 184, pp. 313–317, 2017.

[14] J. Yianatos, ‘Fluid flow and kinetic modelling in flotation related processes: columns and

mechanically agitated cells—a review’, Chem. Eng. Res. Des., vol. 85, no. 12, pp. 1591–1603,

2007.

[15] P. Kind, ‘Design criteria and recent developments in large-capacity Wemco flotation cells’, J.

South. Afr. Inst. Min. Metall., vol. 76, no. 8, pp. 345–358, 1976.

شفاهی ارائه نمایم پوستر تمایل دارم این مقاله را در بخش


CFD modeling of modified Wemco cell type induced gas flotation

tank (IGF)

Hamed Naziri firouz-salari , Mahdi Nazari Sarem , Sajjad Abdolahpour

[email protected]

[email protected]

Abstract In this study, CFD modeling of air flotation in a induced gas flotation tank with Wemco cell design is

investigated. Its impeller structure has changed from normal structure and has been improved to increase bubble

diffusion and reduce bubble diameter. This tank has been built as a pilot in Azar Energy Company of Tabriz with

a length of 142 cm, a width of 100 cm and a height of 90 cm in order to evaluate its performance and model its

CFD. The function of this device is to separate oil and suspended solids in industrial effluents in wastewater

treatment units. In this study, by CFD modeling, the gas and liquid velocity profile, the volume fraction of the

dispersed gas as a bubble and the pressure profile of the tank are investigated. The results obtained from

modeling show the proper and optimal performance of this equipment. Modeling performed by comsol software.

In modeling, the K-ɛ turbulence model is used and RANS equations are used to study the turbulence in the tank.

Keywords: CFD modeling , induced gas flotation , wastewater treatment , oily water

Documents

هتفای دوبهب Wemco cell عون (IGF)ییاقلا زاگ یزاسروانش نزخم