شبيه‌سازي سه‌فازي بيوراكتور غشايي غوطه‌ور الياف توخالي با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي جهت تصفيه پساب شهري

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي شيمي

كارشناسي ارشد

چكيده بيوراكتورهاي غشايي از فناوري‌هاي نوين و كارآمد در تصفيه انواع پساب‌ها بوده كه در دهه‌هاي اخير به علت مزايايي همچون افزايش كيفيت پساب خروجي و كاهش فضاي مورد نياز، توجهات بسياري را به خود جلب كرده‌است. در اين پايان‌نامه هدف شبيه‌سازي سه‌فازي يك نمونه بيوراكتور غشايي مقياس صنعتي به وسيله ديناميك سيالات محاسباتي جهت بررسي شرايط هيدروديناميكي حاكم بر سيستم و بهبود اين شرايط و درنتيجه كاهش گرفتگي واحد‌هاي غشايي موجود در سيستم مي‌باشد. از اين جهت سيسستم بيوراكتور غشايي غوطه‌ور مجهز به غشاهاي الياف توخالي با ظرفيت تصفيه 500 مترمكعب بر روز واقع در شهر پكن جهت شبيه‌سازي درنظر گرفته‌شد. تاثير پارامترهاي مختلف عملياتي و طراحي همچون دبي هواي ورودي، غلظت لجن فعال موجود در سيستم، قطر حباب‌هاي هوا، فاصله بين واحدهاي غشايي، محل قرارگيري پخش‌كننده‌هاي هوا و همچنين جاي‌نمايي واحدهاي غشايي بر روي شرايط هيدروديناميكي شامل تنش‌هاي برشي اعمال شده و سرعت سيال مايع مورد تجزيه و تحليل قرارگرفت. نتايج نشان داد، افزايش دبي هوادهي منجر به افزايش تنش‌هاي برشي مايع و هوا و سرعت عمودي بين واحدهاي غشايي و همچنين افزايش ميزان حذف ذرات لجن فعال از واحدهاي غشايي شده كه اين خود باعث كاهش گرفتگي غشا و همچنين كاهش نواحي سكون بين واحدهاي غشايي و درنتيجه بهبود فرآيند فيلتراسيون مي‌شود، به‌نحوي كه افزايش دبي هوادهي از 5000 به 12500 متر مكعب بر روز باعث افزايش 57/70 درصدي در تنش برشي مايع و سه برابر شدن تنش برشي هوا شد. ميزان تغييرات به‌وجود آمده با كاهش اندازه حباب‌هاي هوا در سيستم‌هاي بيوراكتور غشايي مقياس صنعتي بر روي تنش‌هاي برشي اعمال شده كم بوده و در حالت كلي با كاهش آن، تنش‌هاي برشي و ميزان حذف لجن افزايش مي‌يابد كه در اين پژوهش قطر 3 ميلي متر بهترين عملكرد را از خود نشان داد. افزايش غلظت لجن منجر به افزايش ويسكوزيته مخلوط مايع و جامدات معلق شده كه از طرفي تنش برشي را افزايش داده و از طرف ديگر باعث كاهش سرعت سيال و درنتيجه كاهش تنش‌هاي برشي اعمال شده بر سطح غشا مي‌شود. از اين رو در غلظت‌هايي كه اين افزايش ويسكوزيته مخلوط مايع و جامدات معلق بتواند بر كاهش سرعت رخ داده غلبه كند، منجر به افزايش تنش برشي مي‌شود. كاهش فاصله بين واحدهاي غشايي افزايش تنش‌هاي برشي و همچنين افزايش سرعت عمودي سيال مايع در بين واحدهاي غشايي را درپي دارد، به‌نحوي كه كاهش اين فاصله از 45 تا 30 ميلي متر باعث افزايش 91/17 و 15/36 درصدي در تنش‌هاي مايع و هوا شد. افزايش فاصله بين دمنده‌هاي هوا و واحدهاي غشايي در ابتدا باعث افزايش تنش‌هاي برشي و در ادامه باعث كاهش آن‌ها شد، به‌طوري كه استفاده از فاصله 75 نسبت به فواصل 50، 100 و 125 ميلي متري به ترتيب باعث افزايش 63/3، 81/3 و 41/4 درصدي در تنش مايع، افزايش 119/0، 81/5 و 52/11 درصدي تنش هوا و كاهش كسر حجمي لجن به ميزان 60/10، 41/9 و 55/8 درصد شد. افزايش فاصله واحدهاي غشايي از انتهاي مخزن نيز باعث كاهش تنش‌هاي برشي، توزيع غيريكنواخت سرعت و همچنين افزايش تجمع ذرات لجن بر روي واحدهاي غشايي شد، به‌نحوي كه استفاده از فاصله 220 نسبت به فواصل 320 و 420 ميلي متري افزايش 32/3 و 98/19 درصدي در تنش مايع، 84/17 و 67/55 درصدي در تنش هوا و كاهش 51/7 و 23/8 درصدي در كسر حجمي لجن تجمع‌يافته را درپي داشت. نتايج شبيه‌سازي در حالت درنظر گرفتن واحدهاي غشايي به عنوان محيطي متخلخل نيز نشان داد، نرخ تغيير بزرگي سرعت در درون واحدهاي غشايي همانند نواحي بين واحدهاي غشايي بوده‌است. درحقيقت در نواحي بالايي به علت آشفتگي بالاتر جريان چندفازي و همچنين پايين‌تر بودن كسر حجمي لجن و ميزان ماند هوا، سيال مايع با سرعت بالاتري جريان يافته و درنتيجه باعث كاهش نواحي سكون و افزايش تنش‌هاي برشي در اين نواحي مي‌شود.

222907

طراحي فرآيند

مهندسي شيمي

دانشگاه صنعتي اصفهان