Моделирование переноса частиц в семиламповом ультрафиолетовом реакторе по обеззараживанию воды

21 февраля 2011

Очистка воды является  актуальной  проблемой современного общества.  В России наиболее распространенным способом очистки воды является хлорирование. Однако растворенный в воде хлор оказывает пагубное воздействие на организм человека: соединяясь с органическими веществами, которые невозможно полностью удалить на очистных сооружениях, он образует тригалометаны, провоцирующие патологические заболевания.  Вместе с питьевой водой  растворенный хлор попадает в желудочно- кишечный тракт человека, что  приводит к нарушениям нормального состава микрофлоры кишечника,  возможности развития гастрита  и снижению  иммунитета. Поэтому наряду с традиционной химической очисткой воды все чаще используют  радиационный способ очистки (ультрафиолетовое облучение).  В ходе ультрафиолетовой очистки  воды излучение губительным образом воздействует на цепочки РНК и ДНК микроорганизмов и бактерий, нарушая их жизнеспособность и возможность к воспроизведению. Главным преимуществом данного способа очистки является отсутствие необходимости введения химических реагентов, а, следовательно, органолептические показатели воды (цвет, запах, вкус) не изменяются. Для полного уничтожения микроорганизмов в воде необходимо воздействие на нее ультрафиолетового излучения в течение определенного, так называемого «резидентного времени», которое грубо может быть оценено как отношение объема системы к объемному расходу через нее. В случае простейшей геометрии для классической прямоточной системы это утверждение выполняется довольно хорошо, однако аналитически предсказать разброс скоростей и направлений потока  в более сложной геометрии семилампового реактора невозможно, то есть возможно наличие зон высоких скоростей, из-за которых вода протекает через систему за время, меньшее резидентного,  и не обеззараживается полностью.

В данной работе проводилось полномасштабное моделирование процесса протекания многокомпонентного потока ( жидкая фаза - твердые частицы) в ультрафиолетовом семиламповом реакторе-обеззараживателе «Лазурь».  3D-модель и ее последующая дискретизация на многогранные расчетные объемы осуществлялась по принципу сгущения расчетной сетки в местах наибольшей гидравлической напряженности.

 

Жидкая фаза модели двухфазного потока была описана с помощью уравнения Навье-Стокса и “k-ε” модели турбулентности. Эффекты взаимодействия твердой фазы с жидкой были учтены в рамках подхода Эйлера. Граничные условия модели включают стандартные входное (inlet) и выходное (outlet) условия, основанные на сохранении массового расхода, а также условие без скольжения на стенке для жидкой фазы (воды) и условие скольжения на стенке  для твердой фазы (частиц-носителей бактерий). Полученные в результате расчета распределения скоростей и направлений потока показали, что в нижней части устройства за счет экранирования всего объема лампами развивается  зона максимально потока, которая  потенциально опасна с точки зрения пониженной эффективности обеззараживания, поскольку локальное резидентное время в этой зоне существенно ниже среднего значения.  В этой области вода с частицами-носителями не обеззараживается полностью. Решением этой проблемы может послужить размещение кавитаторов в нижней части устройства в противовес текущей конструкции.

Анализ распределения векторов скоростей в поперечных сечениях реактора показал установление радиальной асимметрии потока, которая может привести к нежелательным  вибрациям устройства при больших расходах. Конечным результатом работы явились рекомендации по оптимизации конструкции реактора.