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.