Indagine PIV e CFD sull'idrodinamica della flocculazione a pale a basse velocità di rotazione

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19742 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, l'idrodinamica della flocculazione è stata valutata studiando sperimentalmente e numericamente il campo di velocità del flusso turbolento, in un flocculatore a pale su scala di laboratorio. La turbolenza che promuove l'aggregazione delle particelle o la rottura dei fiocchi è complicata ed è stata considerata e confrontata in questo lavoro utilizzando due modelli di turbolenza; vale a dire, l'SST k–ω e l'IDDES. I risultati hanno mostrato che l'IDDES ha fornito un leggero miglioramento rispetto all'SST k–ω, rendendo quest'ultimo sufficiente a simulare accuratamente il flusso all'interno del flocculatore a pale. È stata adottata una valutazione della bontà di adattamento per studiare la convergenza tra i risultati PIV e CFD e per confrontare i risultati dei modelli di turbolenza CFD utilizzati. Lo studio si è concentrato, inoltre, sulla quantificazione del fattore di slittamento k, pari a 0,18 alle basse velocità di rotazione di 3 e 4 giri al minuto, e rispetto al valore tipico convenzionale di 0,25. Questa riduzione di k da 0,25 a 0,18 produce un aumento di circa il 27–30% nella potenza impartita al fluido e un aumento di circa il 14% nel gradiente di velocità (G). Ciò implica che viene fornita una maggiore miscelazione del previsto e, pertanto, viene immessa meno energia e quindi il consumo elettrico per l'unità di flocculazione in un impianto di trattamento dell'acqua potabile potrebbe essere potenzialmente ridotto.

Nel trattamento dell'acqua, l'aggiunta di coagulanti destabilizza le particelle colloidali fini e le impurità, che poi si uniscono e formano fiocchi nella fase di flocculazione. I fiocchi sono aggregati frattali di massa liberamente collegati, che vengono poi rimossi mediante sedimentazione. Le caratteristiche delle particelle e le condizioni di miscelazione del fluido determinano l'azione di flocculazione e l'efficienza del processo di trattamento. La flocculazione richiede una miscelazione lenta in periodi relativamente brevi, insieme a un'elevata quantità di energia per miscelare il grande volume di acqua1.

In un processo di flocculazione, l'idrodinamica dell'intero sistema, oltre alla chimica delle interazioni coagulante-particolato, determina la velocità con cui viene raggiunta la distribuzione dimensionale allo stato stazionario2. Quando le particelle si scontrano, aderirebbero l'una all'altra3. Oyegbile, Ay4 ha riferito che la collisione dipende dai meccanismi di trasporto della flocculazione della diffusione browniana, dal taglio del fluido e dalla sedimentazione differenziale. Quando i fiocchi si scontrano, crescono e raggiungono una certa dimensione limite e quindi potrebbero verificarsi rotture, poiché i fiocchi non sopportano la forza delle forze idrodinamiche5. Alcuni di questi fiocchi rotti si combinano nuovamente fino a raggiungere dimensioni inferiori o uguali6. Tuttavia, fiocchi forti potrebbero sopportare le forze e mantenere le loro dimensioni o addirittura crescere7. Yukselen e Gregory8 hanno riferito di ricerche relative alla rottura dei fiocchi e alla loro capacità di ricrescere, indicando che l'irreversibilità era limitata. Bridgeman, Jefferson9 ha utilizzato la CFD per valutare l'impatto locale del flusso medio e della turbolenza sulla formazione e rottura dei fiocchi utilizzando il gradiente di velocità locale. In una vasca provvista di pale rotanti, era necessario modificare la velocità dell'aggregato in caso di collisione con altre particelle quando queste erano sufficientemente destabilizzate nella fase di coagulazione10. Utilizzando la CFD e a velocità di rotazione inferiori, pari a circa 15 giri al minuto, Vadasarukkai e Gagnon11 sono stati in grado di ottenere i valori G utilizzati per la flocculazione a pale coniche, che hanno ridotto al minimo l'assorbimento di potenza richiesto per la miscelazione. Tuttavia, il funzionamento a valori G più elevati può portare alla rottura dei fiocchi. Hanno studiato l'influenza delle velocità di miscelazione sulla determinazione del gradiente di velocità medio per i flocculatori a pale su scala pilota. La loro velocità di rotazione era maggiore di 5 giri al minuto.

Korpijärvi, Ahlstedt12 ha utilizzato quattro diversi modelli di turbolenza per studiare il campo di flusso di un dispositivo per test su giare. Hanno utilizzato un anemometro laser-Doppler e un PIV per misurare il campo di flusso e hanno confrontato i risultati calcolati e misurati. de Oliveira e Donadel13 hanno proposto un approccio alternativo per stimare il gradiente di velocità attraverso le caratteristiche idrodinamiche utilizzando la CFD. L'approccio proposto è stato testato in sei unità di flocculazione basate sulla geometria elicoidale. È stato valutato l'impatto del tempo di ritenzione sui flocculatori ed è stato proposto un modello di flocculazione, che può essere utilizzato come strumento per supportare la progettazione razionale di unità con tempi di ritenzione bassi14. Zhan, You15 ha proposto un modello CFD combinato e un modello di bilancio della popolazione per simulare le caratteristiche del flusso e il comportamento dei fiocchi in una flocculazione su vasta scala. Llano-Serna, Coral-Portillo16 hanno studiato le caratteristiche del flusso di un flocculatore idraulico di tipo Cox presso l'impianto di depurazione dell'acqua a Viterbo, in Colombia. Sebbene l’applicazione della CFD presentasse i suoi vantaggi, presentava limitazioni come gli errori numerici nei calcoli. Di conseguenza, qualsiasi risultato numerico ottenuto dovrebbe essere attentamente esaminato e analizzato per formulare giudizi critici17. In letteratura esistono numerosi studi incentrati sulla progettazione di flocculatori con deflettore orizzontale, mentre le linee guida per la progettazione dei flocculatori idraulici sono limitate18. Chen, Liao19 ha utilizzato un apparato sperimentale basato sulla diffusione della luce polarizzata per misurare gli stati di polarizzazione della luce diffusa delle singole particelle. Feng, Zhang20 ha simulato la distribuzione dei vortici e la vorticità nel campo di flusso dello stesso flocculatore a piastre piegate a onde e del flocculatore a piastre piegate a onde opposte di Ansys-Fluent. Dopo aver utilizzato Ansys-Fluent per modellare il flusso turbolento del fluido nei flocculatori idraulici, Ghawi21 ha utilizzato i risultati nella progettazione di un flocculatore idraulico. Vaneli e Teixeira22 hanno riferito che manca ancora la comprensione della relazione tra l'idrodinamica dei flocculatori tubolari elicoidali e il processo di flocculazione, per supportare la progettazione razionale. de Oliveira e Costa Teixeira23 hanno studiato l'efficienza e presentato una caratterizzazione idrodinamica dei flocculatori a tubi a spirale elicoidale attraverso esperimenti fisici e modelli CFD. I reattori a tubi elicoidali o i flocculatori a tubi a spirale elicoidale sono stati studiati da molti ricercatori. Tuttavia, mancano ancora informazioni dettagliate sulla fluidodinamica sulla risposta di questi reattori alle diverse condizioni di progettazione e operative (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25). Oliveira e Teixeira26 hanno presentato risultati originali di studi teorici, sperimentali e di modellazione CFD di flocculatori a tubi a spirale elicoidale. Oliveira e Teixeira27 hanno proposto di utilizzare tubi a spirale elicoidale come reattore di coagulazione-flocculazione accoppiato con un sistema decanter convenzionale. Hanno riferito che i risultati ottenuti sull’efficienza di rimozione della torbidità differiscono significativamente da quelli ottenuti dai modelli comunemente usati per la valutazione della flocculazione, il che indica cautela nell’uso di tali modelli. Moruzzi e de Oliveira28 hanno eseguito simulazioni del comportamento del sistema di camere di flocculazione continua in serie in diverse condizioni operative, comprese le variazioni nel numero di camere utilizzate e l'utilizzo di gradienti di velocità fissi o scalati nelle unità. Romphophak, Le Men29 hanno eseguito misurazioni PIV della velocità istantanea in un chiarificatore a getto quasi bidimensionale. Hanno rilevato la forte circolazione indotta dal getto nella zona di flocculazione e stimato le velocità di taglio locali e istantanee.