Investigação PIV e CFD da hidrodinâmica da floculação em pás em baixas velocidades rotacionais

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19742 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Neste estudo, a hidrodinâmica da floculação foi avaliada investigando o campo de velocidade do fluxo turbulento experimentalmente e numericamente, em um floculador de pás em escala de laboratório. A turbulência que promove a agregação de partículas ou a quebra de flocos é complicada e foi considerada e comparada neste trabalho usando dois modelos de turbulência; ou seja, o SST k–ω e o IDDES. Os resultados mostraram que IDDES forneceu uma melhoria muito pequena em comparação com SST k–ω, rendendo o último suficiente para simular com precisão o fluxo dentro do floculador de pá. Uma avaliação Goodness-of-Fit foi adotada para estudar a convergência entre os resultados PIV e CFD, e para comparar os resultados dos modelos de turbulência CFD usados. O estudo focou, também, na quantificação do fator de deslizamento k, como 0,18 em baixas rotações de 3 rpm e 4 rpm, e comparado ao valor típico convencional de 0,25. Esta redução de k de 0,25 para 0,18 produz um aumento de cerca de 27 a 30% na potência transmitida ao fluido e um aumento de cerca de 14% no gradiente de velocidade (G). Isso implica que mais mistura é fornecida do que o esperado e, portanto, menos energia é aplicada e, portanto, o consumo elétrico para a unidade de floculação em uma estação de tratamento de água potável pode ser potencialmente reduzido.

No tratamento de água, a adição de coagulantes desestabiliza as partículas coloidais finas e as impurezas, que se unem e formam flocos na etapa de floculação. Flocos são agregados fractais de massa frouxamente conectados, que são então removidos por sedimentação. As características das partículas e as condições de mistura dos fluidos determinam a ação da floculação e a eficiência do processo de tratamento. A floculação requer uma mistura lenta em períodos relativamente curtos, juntamente com uma grande quantidade de energia para misturar o grande volume de água1.

Em um processo de floculação, a hidrodinâmica de todo o sistema, além da química das interações coagulante-particulado, determina a taxa na qual a distribuição de tamanho em estado estacionário é alcançada2. Quando as partículas colidem, elas aderem umas às outras3. Oyegbile, Ay4 relatou que a colisão depende dos mecanismos de transporte de floculação de difusão browniana, cisalhamento de fluido e sedimentação diferencial. Quando os flocos colidem, eles crescem e ultrapassam um certo tamanho limite e, portanto, podem ocorrer quebras, pois os flocos não suportam a força das forças hidrodinâmicas5. Alguns desses flocos quebrados se combinam novamente para um tamanho menor ou igual6. No entanto, flocos fortes podem suportar as forças e manter seu tamanho ou mesmo crescer7. Yukselen e Gregory8 relataram pesquisas relacionadas à quebra de flocos e sua capacidade de regeneração, indicando que a irreversibilidade era limitada. Bridgeman, Jefferson9 usou CFD para avaliar o impacto local do fluxo médio e turbulência na formação e quebra de flocos usando o gradiente de velocidade local. Em uma bacia provida de pás do rotor, era necessário alterar a velocidade do agregado na colisão com outras partículas quando estas estivessem suficientemente desestabilizadas na fase de coagulação10. Usando CFD e em velocidades rotacionais mais baixas de cerca de 15 rpm, Vadasarukkai e Gagnon11 foram capazes de atingir os valores G usados ​​para floculação de pá cônica, o que minimizou a entrada de energia necessária para a mistura. No entanto, operar com valores G mais altos pode levar à quebra do floco. Eles estudaram a influência das velocidades de mistura na determinação do gradiente médio de velocidade para floculadores de pás em escala piloto. Suas velocidades de rotação eram superiores a 5 rpm.

Korpijärvi, Ahlstedt12 usou quatro modelos de turbulência diferentes para estudar o campo de fluxo de um dispositivo de teste de jarro. Eles usaram um anemômetro laser-Doppler e PIV para medir o campo de fluxo e compararam os resultados calculados e medidos. de Oliveira e Donadel13 propuseram uma abordagem alternativa para estimar o gradiente de velocidade por meio de características hidrodinâmicas usando CFD. A abordagem proposta foi testada em seis unidades de floculação baseadas em geometria helicoidal. O impacto do tempo de retenção em floculadores foi avaliado e um modelo de floculação foi proposto, que pode ser usado como uma ferramenta para apoiar o design racional de unidades de baixo tempo de retenção14. Zhan, You15 propôs um modelo CFD combinado e o modelo de equilíbrio populacional para simular as características do fluxo e o comportamento dos flocos em uma floculação em grande escala. Llano-Serna, Coral-Portillo16 investigaram as características de fluxo de um floculador hidráulico tipo Cox na estação de purificação de água em Viterbo, Colômbia. Embora a aplicação de CFD tivesse suas vantagens, havia limitações, como erros numéricos existentes nos cálculos. Consequentemente, qualquer resultado numérico obtido deve ser cuidadosamente examinado e analisado para fazer julgamentos críticos17. Vários estudos com foco no projeto de floculadores defletores horizontais existem na literatura, enquanto a orientação de projeto para floculadores hidráulicos tem sido limitada18. Chen, Liao19 usou uma configuração experimental baseada na dispersão de luz polarizada para medir os estados de polarização da luz dispersa das partículas individuais. Feng, Zhang20 simulou a distribuição de vórtice e vorticidade no campo de fluxo do mesmo floculador de placa dobrada de onda e o floculador de placa dobrada de onda oposta da Ansys-Fluent. Depois de usar o Ansys-Fluent para modelar fluxo de fluido turbulento em floculadores hidráulicos, Ghawi21 usou os resultados para projetar um floculador hidráulico. Vaneli e Teixeira22 relataram que ainda falta o entendimento da relação entre a hidrodinâmica dos floculadores tubulares helicoidais e o processo de floculação, para dar suporte ao projeto racional. de Oliveira e Costa Teixeira23 investigaram a eficiência e apresentaram uma caracterização hidrodinâmica de floculadores de tubo helicoidal por meio de experimentos físicos e modelagem CFD. Reatores de tubos helicoidais ou floculadores de tubos helicoidais foram estudados por muitos pesquisadores. No entanto, ainda faltam informações detalhadas sobre a dinâmica dos fluidos sobre a resposta desses reatores a variações de projeto e condições operacionais (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25). Oliveira e Teixeira26 apresentaram resultados originais de estudos teóricos, experimentais e de modelagem CFD de floculadores de tubos helicoidalmente enrolados. Oliveira e Teixeira27 propuseram o uso de tubos helicoidalmente enrolados como reator de coagulação-floculação acoplado a um sistema decantador convencional. Eles relataram que os resultados de eficiência de remoção de turbidez obtidos diferem significativamente daqueles obtidos pelos modelos comumente usados ​​para avaliação de floculação, o que indica cautela no uso de tais modelos. Moruzzi e de Oliveira28 realizaram simulações do comportamento do sistema de câmaras de floculação contínua em série sob diferentes condições de operação, incluindo variações no número de câmaras utilizadas e a utilização de gradientes de velocidade fixos ou escalonados nas unidades. Romphophak, Le Men29 realizou medições PIV de velocidade instantânea em um clarificador a jato quase bidimensional. Eles detectaram a forte circulação induzida pelo jato na zona de floculação e estimaram as taxas de cisalhamento locais e instantâneas.