Schaalverkleining van een neutralisatiebassin; een onderzoek naarde optimale plaats van de roerder bij gegeven bassingeometrie

Transcriptie

1 Schaalverkleining van een neutralisatiebassin; een onderzoek naarde optiale plaats van de roerder bij gegeven bassingeoetrie Saenvatting Aan de hand van diensie-analyse werden gelijkvorigheidscriteria afgeleid voor het engproces in een neutralisatiebassin en in een laboratoriuinstallatie. In de laboratoriuinstallatie werd die plaats van de roerder bepaald, waar bij een gegeven toerental de kortste engtijd werd bereikt. Enkele etingen in het neutralisatiebassin wezen uit dat de onderzoekresultaten in het schaalodel goed overdraagbaar zijn op het neutralisatiebassin. IR. I. G. RACZ H wente,enschede, G. ASMUS B.t.w.. H wente,enschede, brengen voor de daarop volgende biologische zuivering. De loogdosering geschiedt autoatisch en wordt bestuurd door de geeten ph waarde in het bassin (het regelsystee zelf is onderwerp van een ander onderzoek). Het neutralisatiebassin wordt verondersteld te werken als een ideaal geroerde tankreactor, d.w.z. de ph in de afvoer van het bassin is gelijk aan de ph in het bassin. In technologische teren vertaald betekent dit dat de engtijd voldoende klein oet zijn t.o.v. de geiddelde verblijftijd in het bassin; een algeeen aanvaarde waarde hiervoor is []: ^/lo Afb.. B breedte bassin (4,00), L lengte bassin (4,00), X 2,00, Y,0, () waarbij et 0v V volunie neutralisatiebassin [ ] 0 voluestroo door het bassin [ sec - ] t engtijd [sec] geiddelde verblijftijd [sec] Bij een bepaalde waarde van V en 0 V oet dus een zodanige waarde van t worden gerealiseerd dat aan betrekking () wordt voldaan. H hoogte vloeistofniveau (0,92 ), h hoogte roerder boven debode (0,8 dr diaeter roerder (0,75 ). ), PROF. IR.DRS. J. GROOWASSINK H wente, Enschede,. Inleiding en probleestelling Bij lozing van afvalwater op een biologische reinigingsinstallatie worden aan de saenstelling van het afvalwater bepaalde eisen gesteld. In verband et het verstoren van het biologische reinigingsproces ag bijv. de ph van het afvalwater niet lager dan ca. 6 en niet hoger dan ca. 8 zijn. Deze eis brengt et zich ee dat het afvalwater van zeer veel bedrijven (cheische fabrieken, textielindustrie, galvanische industrie enz.) geneutraliseerd dient te worden, voordat het aan een biologische reinigingsinstallatie kan worden toegevoerd. Afhankelijk van de aard van het afvalwater en de bedrijfsostandigheden, kan dit neutralisatieproces op eerdere anieren worden uitgevoerd. Alkalisch afvalwater kan bijv. et rookgassen (eestal kosteloos te verkrijgen) worden geneutraliseerd in een gepakte kolo. Zuur afvalwater kan bijv. door afvalloog uit het eigen of anderans bedrijf worden geneutraliseerd in een goed geroerd neutralisatiebassin. Het zure afvalwater van de NV Cheische Industrie Servo te Delden wordt in neutralisatiebassins et loog behandeld o de ph binnen aanvaardbare grenzen te I B P7 Y \* i i - lar Foto - Neutralisatiebassin NV Cheische Industrie Servo te Delden. $#JÉ- *. - * aaiveld I»

2 H 2 0 (7) 974, nr De engtijd t is afhankelijk van een groot aantal faktoren (waarover later), w.o. de plaats van de roerder in het bassin. Bij visuele waarneing van het stroingspatroon in de neutralisatiebassins bij Servo rees het veroeden dat de plaats van de roerder niet gunstig was gekozen. Gevraagd werd een onderzoek in te stellen naar de eest gunstige plaats van de roerder et betrekking tot de engtijd, waarbij alle overige paraeters, zoals type roerder, toerental roerder enz. constant bleven. Bij het onderzoek diende tevens aandacht gegeven te worden aan ogelijke instabiliteitsverschijnselen in de stroing, zoals het ontstaan van vortices, die in verband et de zeer lange roerderas de levensduur van deze as en van het aandrijfechanise nadelig zouden kunnen beïnvloeden. Voor vierkante bassins et de roerder uit het idden geplaatst waarin eventueel ook nog obstakels zijn aangebracht, staan ons niet voldoende gegevens ter beschikking voor het berekenen van de engtijden en voor het voorspellen van instabiliteitsverschijnselen. Wij zijn daaro aangewezen op het doen van proeven in het betreffende bassin of in een odel van het bassin. Het uitvoeren op praktijkschaal stuit in de eeste gevallen zo ook in het onderhavige geval op bezwaren van econoische en/of technologischpraktische aard. Onze voorkeur gaat uit naar het doen van proeven in een odel van het bassin, waarbij wordt verondersteld dat de resultaten van de odelproeven ook geldig zijn voor het bassin op ware grootte (zo ogelijk dient dit door een praktijketing te worden gecontroleerd). De processen op praktijkschaal en kleine schaal dienen dus gelijkvorig te zijn: in ons geval oeten wij streven naar hydrodynaische gelijkvorigheid der processen. 2. Schaalverkleining van het neutralisatiebassin De afetingen van neutralisatiebassin en roerder op praktijkschaal worden aangegeven in afb., zie tevens fotografische opnaen (foto en 2). De voluestroo 0 V van het zure afvalwater bedraagt ± 72 /hr. ype roerder: urbo-müller KG, type L, conische ring o drie propellerbladen. oerental roerder: 800 owentelingen per inuut. Overeenkostig de resultaten bij het 'standaard-engvat' [2] spelen de volgende variabelen een rol bij het hoogenisatieproces in een vierkante bassin: geoetrie bassin geoetrie roerder toerental roerder ediueigenschappen ogevingsinvloeden ot de geoetrie van het bassin behoren naast de afetingen van het bassin ook de eventueel in het bassin aangebrachte obstakels (stroogeleiders) en de plaats van de roerder in het bassin. Als engtijd wordt gedefinieerd de tijd die nodig is o een bepaalde inhoogeniteit over de inhoud van het bassin te verspreiden, waarbij een afwijking van 2 % van de eindwaarde is toegestaan [2]. Resuerend koen wij tot de volgende variabelen die bij het engproces van belang zijn: 0 engtijd [sec] hoogte vloeistofniveau in het bassin [] breedte bassin [] lengte bassin [] afetingen en plaats obstakels [] diaeter roerder [] toerental roerder [sec" ] dichtheid te engen vloeistoffen [kg - ] kineatische viscositeit te engen vloeistoffen [kg - sec - ] versnelling zwaartekracht [ sec" 2 ] voluestroo door het bassin [ sec - ] Uit deze variabelen kunnen diensieloze groepen worden gevord (bijv. ethode van Gauss-Jordan [, 4], die in een bepaalde relatie tot elkaar staan: t 0v V H B O d r p n d r 2 n 2 d r 0 V ƒ (-, -, -, -,,, ) L L L L r] g nd r waarbij V volue bassin [ ]. Vergelijking (2) kan ook als volgt worden geschreven: (2) Foto 2 - Detail et rechts roerder, links ph eetcel, daartussen toevoertuit loogdosering. 'jrt. s,i t H B O d r 0 Y ƒ(,,,, Re, Fr, ) (2') L L L L nd r waarbij Re geiddelde verblijftijd [sec] getal van Reynolds, betrokken op de roerder [-] getal van Froude, betrokken op de roerder [-] 0 V verhouding van de voluestroo Fr nd r door het bassin tot de voluestroo veroorzaakt door de roerder Willen wij nu volledige procesgelijkvorigheid bereiken tussen ware grootte en odel, dan oet het odel aan de volgende voorwaarden voldoen (ware grootte wordt aangegeven door index, odel door index 2): Ho H, U> Li B-> Bt b. L a Li

3 468 Oo Oi Resuerend vinden wij: L2 Li d r d r 2 d. L2 Li e. Re2 Rei Ho B, L, O? dr 2 n 2 ki«hi ki «B, kl«ll kl«0l k2/5 d r k-i/ ni f. Fr2 Fri 0 V 0 V V 2 g. n 2 d^s M r Als aan genoede voorwaarden a. t/ g. wordt voldaan, geldt dus: l Als bovendien voldaan wordt aan de voorwaarde: h. 2 l dan geldt: t <> t de engtijden in het bassin op ware grootte en in het odel zijn aan elkaar gelijk. Wij voeren nu een capacitieve schaalverkleiningsfaktor in, volgens: 0 2 k-0 Vi (4) Volgens voorwaarde h. geldt nu: () V 2 k Vi (5) Uit vergelijking (5) en uit de voorwaarden a. t/ d. kunnen wij nu afleiden: H 2 ki'hi B 2 ki/bi L 2 ki/li 0 2 ki/ 0i Foto 4 - Model van de roerder. geval niet aan alle gelijkvorigheidscriteria kunnen voldoen, er kan dus geen volledige gelijkvorigheid worden bereikt, wij oeten genoegen neen et partiële gelijkvorigheid: twee van de vier voorwaarden oeten wij laten vervallen. Voorwaarde e. (gelijke Reynoldsgetallen) kunnen wij laten vervallen, its in beide gevallen hetzelfde stroingsregie (hier turbulente stroing, Re > 2 x 0 4 ) voorhanden is. De voorwaarden f. en g. worden belangrijker geacht t.a.v. de engtijden en instabiliteitsverschijnselen dan voorwaarde d. (geoetrische gelijkvorigheid) een otivering zou ons te ver voeren op deze plaats zodat wij verder werken et de voorwaarden f. en g. Hieruit volgt: dr 2 k2/5dn n 2 k _]/ ni () (2) Foto - Seitechnisch odel van het neutralisatiebassin. Voor het toegevoerde verogen per volue-eenheid betekent dit: N 2 V., N, k2/5 () et N toegevoerd verogen (~ p ns d r ) [W] Afhankelijk van de aanwezige technische ogelijkheden t.a.v. de grootte van het odel, toerental roerder enz. kan nu de waarde van de schaalverkleiningsfactor k worden bepaald. In ons geval werd k bepaald op /25, dus 0v H 2 B, L, dr, n, - 0 V 25 0,42 H, 0,42 B! 0,42 L, 0,276 d..,904 n, 0,5,7,7 0, o Dit odel-bassin werd geconstrueerd door door de Centrale echnische Dienst van de H; als constructieateriaal werd doorzichtig perspex gekozen, zodat ook de stroingspatronen en instabiliteitsver- d ro ki/d r Bij ediugelijkheid (in beide gevallen water) leiden de resterende voorwaarden tot de volgende eisen: e. n 2 d r() 2 njd,. 2 f. n 2 d ro n^d, g. n 2 d r s k n t d r erwijl reeds werd afgeleid d r t k / d r (0) Wij hebben hier een stelsel van 4 onafhankelijke vergelijkingen et 2 onbekenden, nl. n 2 en d ro, de vergelijkingen zijn et elkaar strijdig. Dit betekent, dat wij in dit

4 H 2 0 (7) 974, nr schijnselen konden worden waargenoen (zie foto ). De odel-roerder werd ons door de fabrikant ter beschikking gesteld (zie foto 4).. Metingen in het odel en op ware grootte De engtijdsetingen werden uitgevoerd door de geleidbaarheid te eten als functie van de tijd na toevoeging van een bepaalde hoeveelheid KCl-oplossing [,2]. Aangezien in het bassin een neutralisatiereactie wordt uitgevoerd, hebben wij ook de neutralisatietijd (t n ) geeten: hieronder wordt de tijd verstaan die nodig is o een 'constante' eind-ph te bereiken als gevolg van een zuur-base reactie. Bij deze eting wordt de ph gevolgd als functie van de tijd. De engtijden waren langer dan de overeenkostige neutralisatietijden, hetgeen et de traagheid van het ph-eetsystee oet worden verklaard [6]. Aangezien de verhouding tussen de engtijd en neutralisatietijd als constant ag worden verondersteld (in ons geval was t,6 t n ), is het niet van belang welke van deze twee wordt geeten. O praktische redenen hebben wij de neutralisatietijden geeten, waar nodig zullen wij deze orekenen in engtijden. (Voor uitvoerige eetgegevens wordt verwezen naar het baccalaureaatsverslag van G. Asus [5]). ABEL I Bassin op,8 ware grootte Saenvatting eetresultaten. Oorspro neutralisatietijd t n [in] Model,6 geiddelde verblijftijd berekende waarde nkelijke roerderplaats engtijd t [in] 2,9 2,6 2,25 inuten Afb. 2 - Plaats van de roerder bij iniale engtijden in het odel L 2,7, B 2,7, X 2 ' 0,5, Y 2 ' 0,5.» -[-] 4,2 4,7 neutralisatietijd t n [in],4 *,2 Gewijzigde roerderplaats engtijd t [in] 2,2 *,9 -[-] * 5,6 6,4 Afb. - Plaats van de roerder bij iniale engtijden, in het bassin op ware grootte. Bj 4,00, 4,00, X r,49, Y/,49. In het neutralisatiebassin werd de neutralisatietijd geeten volgens de situatie zoals vereld in afb.. Vervolgens werd de neutralisatietijd geeten in het odel Foto 5 - Vortex in het odel. onder gelijkvorige ostandigheden. De geeten neutralisatietijden steden goed et elkaar overeen, de afwijking was ca. 0 % van de geeten waarde. Ook de reproduceerbaarheid van de etingen was bevredigend. Vervolgens werd de neutralisatietijd geeten in het odel van het bassin als functie van een aantal paraeters, zoals plaats van de roerder, plaats van doseren en eten, hoogte van de roerder boven de bode, enz. Wij zullen hier volstaan et de bespreking van de invloed van de roerderplaats op de neutralisatietijd, respectievelijk de engtijd en op de instabiliteitsverschij nselen. De roerderplaats werd systeatisch gevarieerd en de bijbehorende neutralisatietijden bepaald. Het bleek dat er een iniu in de neutralisatietijden (engtijden) optrad, en wel in de situatie zoals geschetst in afb. 2. De bij deze configuratie horende neutralisatietijd (engtijd) was /4 van de neutralisatietijd die in het odel geeten werd bij de oorspronkelijke opstelling (zie tabel I). Uit syetrie-overwegingen volgt, dat er in een batch-systee eigenlijk 4 gelijkwaardige plaatsen zijn in het bassin t.a.v. deze iniale engtijd. O echter zo veel ogelijk kortsluiting te verijden in een doorstrood systee tussen toevoer en afvoer van het bassin, werd de in afb. 2

5 470 aangegeven plaats gekozen als de eest gunstige roerderplaats. De eest gunstige plaats van de roerder in het bassin op ware grootte wordt aangegeven in afb.. De instabiliteitsverschijnselen in het odel werden visueel waargenoen en fotografisch vastgelegd (zie foto 5). Ben voordeel van de gewijzigde roerderplaats t.o.v. de oorspronkelijke roerderplaats is dat de stroing stabieler werd, door de roerder werden er geen vortices eer getrokken [7]. Bij deze geoetrie zal de neutralisatietijd in het bassin korter worden in dezelfde ate als in het odel dan bij de oorspronkelijke geoetrie. Wat dit voor het enggedrag van het bassin betekent, zal nu worden besproken aan de hand van tabel I, waarin de eetresultaten zijn saengevat. Voor een ideaal geroerde tankreactor geldt volgens relatie () t < 0 Wij zien dat noch in het odel, noch in het bassin op ware grootte, ook niet bij de gewijzigde roerderplaats, aan dit kriteriu wordt voldaan, het enggedrag van het bassin kot dus niet overeen et dat van een ideaal geroerde tankreactor. O het gewenste enggedrag te bereiken staan ons nu twee ogelijkheden ter beschikking: De geiddelde verblijftijd in het bassin langer aken door de voluestroo door het bassin te verkleinen (deze ogelijkheid is niet realistisch). De engtijd te verkorten door de diaeter van de roerder en/of het toerental van de roerder te vergroten. Voor het onderzochte bassin werd gevonden dat door een kleine verandering verplaatsing van de roerder kortere engtijden kunnen worden bereikt. O het enggedrag in het bassin te verbeteren konden op grond van ons onderzoek concrete aanbevelingen worden gedaan. Literatuur. Groot Wassink, echnologisch ontwerp van procesapparatuur 2, Collegedictaat H wente, Voncken, Circulatiestroing en enging in geroerde vaten, Universitaire pers Rotterda, Groot Wassink, Gelijkvorigheid van processen en schaalverandering van procesapparatuur, Collegediktaat H wente, Kattanek c.s. Aehnlichkeitslheorie, Verlag für Grundstoffenindustrie, Leipzig Asus, ph regeling in het neutralisatiebassin van een afvalwaterreinigingânstallatie, H wente, afd. C, 972, Baccalaureaatsverslag. 6. Geerlings, Dynaic behaviour of ph-glass elektrodes and of neutralisation processes, Soc. of instruent technology conference, april Clark, Vereulen, Incipient vortex foration in baffled agitated vessels, A. I. Ch. E. J. 0 (964) nr., p In ons geval dient de engtijd et een faktor 2 te worden verkleind. Aangezien de engtijd ogekeerd evenredig is et de voluestroo, veroorzaakt door de roerder () (^nd r ), dient het toerental et een faktor 2 te worden verhoogd of de roerderdiaeter et een faktor y/2. Op deze anier zal het enggedrag van het bassin het enggedrag van de ideaal geroerde tankreaktor benaderen, waardoor et het bestaande regelsystee een betere phregeling ogelijk zal zijn. 4. Slotconclusies Onderzoek van de enging en van instabilïteitsverschijnselen aan de hand van een odelapparaat is zeer wel ogelijk.