metode moderne În modelarea Şi simularea … · radicali oho sunt produse în urma unor procese...

Ecoterra, no. 27, 2011

57

METODE MODERNE ÎN MODELAREA ŞI SIMULAREA FUNCŢIONĂRII TREPTELOR DE OZONIZARE PENTRU STAŢIILE DE TRATARE A APEI

Sorin Claudiu ULINICI, Grigore VLAD, Dumitru Vâju, Liviu SUCIU

S. C. ICPE Bistriţa S. A.

Abstract: Modern numerical modelling methods and computer simulation of ozone contacting systems for water treatment plants. Nowadays, the oxidation processes of water pollutants and disinfection of water using ozone became one of the most used technology in water treatment. High oxidation potential of ozone (2.07 V), and its unique ability to initiate high reactive hidroxile radicals (OHo) chain formation in aqueous solutions, generates a lot of applications in the environmental field. The ozone is an excellent selective oxidant regarding the organics micropollutants, the metallic ions and the heavy metalls. Also, it is a very efficient disinfection agent, with no residual toxic byproducts.

The main technological stage in every ozone water treatment system is the O3/water contacting system. The basics of this stage are the physical and chemical processes, including transport processes, gas/liquid mass transfer processes, transport phenomena and chemical reactions.

This paper presents an integrated mathematical model based on the principle of computational fluid dynamics (CFD) along with the kinetics of the ozone decay to predict the performance of the fine bubble column contactors. The turbulence effect induced by the gas injection was modelled by increasing the level of turbulence intensity at the ozone contactor inlet. The subject of this modelling was an ozone contacting systems with 3.6 m3/h water flow and inlet ozone concentrations in carrier gas (dry air) being in the range 5...25 gO3/h. For the column contactors, the operationg pressure was up to 1 bar(g). The results were used as input data for the design of a real scale water treatment system. The results were used as input data for the design of a real scale water treatment system. The predicted profile of the residual ozone concentration suggests the current operating strategy can be improved to optimise the ozone utilization. Key words: ozone, water treatment, Computational Fluid Dynamics.

Introducere

În mediu apos, în absenţa altor substanţe oxidante (H2O2) sau a radiaţiei UV, ozonul (O3) în stare dizolvată iniţiază două categorii de procese oxidative de bază (Hoigne şi colab., 1983): procese de oxidare directă a materiei organice şi anorganice (care sunt procese selective), şi procese de oxidare indirectă, prin intermediul speciilor de radicali OHo, specii înalt reactive. Speciile de radicali OHo sunt produse în urma unor procese de descompunere ale ozonului în mediu apos, procese care sunt considerate a fi procese desfăşurate în trei etape, putând fi descrise prin intermediul reacţiei globale (1) (Gottschalk şi colab., 2010):

(1)

Un al treilea proces implicat în chimismul ozonului dizolvat în mediu apos este procesul de recombinare a moleculelor de ozon, proces în care sunt, de asemenea, implicaţi subproduşi de reacţie din lanţul chimic de generare a radicalilor OHo. Datorită reactivităţii lor, radicalii OHo au un timp de înjumătăţire foarte mic, mai mic de 10 ns la o concentraţie iniţială 10-4M. S-a arătat că ratele de reacţie pentru radicalii hidroxil şi compuşii aromatici sunt foarte aproape de limita de difuzie (Buxton şi colab., 1988), ceea ce înseamnă că aceştia reacţionează aproape instantaneu în momentul stabilirii contactului. Sistemele de contactare şi reacţie ale ozonului în mediu apos sunt guvernate de etape ce includ procese primare de transport bifazic (gaz/lichid), procese de transfer de masă gaz/lichid, procese de convecţie şi difuzie ale ozonului dizolvat în geometria sistemului de reacţie şi contact, procese de reacţie chimică. Prin sistem de contact vom înţelege, pe larg, în contextul prezentei secţiuni, acel sistem fizic ce permite contactul intim şi mixarea între faza gazoasǎ şi faza lichidǎ, şi permite, de asemenea,


58

iniţierea proceselor de dizolvare ale gazului în lichid, urmate de iniţierea reacţiilor de oxidare a micropoluanţilor şi de descompunere a ozonului. Fizic, un sistem de contact implicǎ doua componente majore: sistemul de injecţie a O3 în soluţie şi sistemul de contact şi reacţie propriu-zis. Conceptual, din punct de vedere al modelării, sistemul de injecţie poate fi înglobat în cel de-al doilea sistem, considerându-l drept o componentǎ ce generează o anumitǎ condiţie la limitǎ pentru faza gazoasǎ prezentǎ la frontiera sistemului de contact. Absorbţia gazelor în lichide poate fi considerată ca fiind procesul prin care unul sau mai mulţi compuşi solubili dintr-un flux gazos sunt dizolvaţi într-o masǎ de lichid. Absorbţia în coloanǎ poate fi realizatǎ atât în coloanǎ simplǎ, cât şi în coloane cu umpluturǎ, cu funcţionare staticǎ, co-curent sau contracurent. Procesele de bazǎ care apar în reactoarele cu bule, pot fi grupate în mai multe categorii de bază: procese de injecţie a gazului în lichid, procese de mixare, procese de transfer de masǎ şi procese legate de reacţiile chimice şi inactivarea microbianǎ. Modelarea sistemelor de contact ozon/apă, din punct de vedere teoretic, nu constituie o sarcină deosebit de dificilă, în condiţiile în care considerăm bine definite modelele care guvernează procesele de transfer de masă gaz/lichid şi procesele difuzive şi convective în volumul lichidului. Când este vorba de geometrii cu un grad ridicat de simetrie, luând în calcul situaţia doar din punct de vedere fizic, procesele pot fi modelate cu o suficientă precizie din punct de vedere al inginerului, pe baza unor modele simple, cum ar fi modelul coloanei cu umplutură, sau modelul mixt-axial. Pot să apară însă două situaţii, care sunt deseori întâlnite, în care aceste modele nu mai satisfac: - modelarea unor sisteme noi, ce includ frontiere multiple, sau includ mecanisme fizice suplimentare de adsorbţie, mai ales în etape legate de cercetarea şi elaborarea de noi soluţii tehnologice; - modelarea , în inginerie, a sistemelor cu geometrii complexe.

În aceste condiţii sunt necesare metode care să permită grefarea, în etapa modelării, a noi procese fizice în ansamblul proceselor hidrodinamice existente, sau să permită o descriere, nu neaparat mai riguroasă, dar mult mai exactă a componentelor de interes din interiorul sistemului fizic. Din acest punct de vedere, metodele CFD (Computational Fluid Dynamics) constituie candidatul ideal, în primul rând datorită posibilităţilor actuale de rezolvare numerică a sistemelor de ecuaţii diferenţiale.

Având în vedere consideraţiile de mai sus, prezentăm în cele ce urmează modelul fizic şi numeric pentru sistemul de contact şi reactie O3/apă în coloană dublă, model aplicat la simularea funcţionării treptei de ozonizare pentru o staţie automată de tratare a apei cu un debit de 3,6 m3/h.

Materiale şi metode

Modelarea fizică şi numerică a treptei de ozonizare a utilizat drept suport fluxul tehnologic al staţiei de tratare a apei prin ozonizare, flux prezentat în fig.1.

Fig.1. Schema tehnologică simplificată de tratare cu ozon a apei în coloană dublă


59

Modelarea numerică, pentru aplicaţia prezentată în cadrul acestei lucrări, a fost făcută pe

baza metodei elementelor finite (FEM), utilizând drept mediu soft, pachetul Comsol Multiphysics 3.5. Modelarea CFD se bazează pe utilizarea modelului adaptat pentru curgerea bifazicǎ, model care provine din modelul Euler-Euler (Lapin şi colab., 1994; Blazek, 2001). Cele douǎ fluide sunt tratate pe baza unui model cu interpenetrare, luând în calcul concentraţia medie a celor douǎ faze. Fiecare dintre cele douǎ faze are asociat un câmp propriu de viteze, ecuaţiile de conservare ale impulsului şi ecuaţiile de continuitate, descriind dinamica fiecǎreia dintre faze. Modelul funcţioneazǎ pe baza urmatoarelor ipoteze:

- densitatea gazului este mult mai micǎ decât densitatea lichidului : ρgaz << ρlichid; - mişcarea relativǎ a bulelor în raport cu lichidul este determinatǎ de balanţa dintre forţele de vâscozitate şi cele de presiune; - câmpul de presiuni este comun ambelor faze. Ecuaţiile de bazǎ implementate sunt:

- ecuaţia de continuitate pentru faza lichidǎ şi faza gazoasǎ (1); - ecuaţia de conservare a impulsului pentru faza lichidǎ (2); - ecuaţia de transport pentru faza gazoasǎ (3). Considerând notaţiile de mai jos:

- fracţia fazei lichide (m3/m3); - câmpurile de viteze pentru lichid şi pentru gaz (m/s);

p - presiunea (Pa); - densitatea lichidului, respectiv densitatea gazului (kg/m3);

g - acceleraţia gravitaţionalǎ (m/s2); - densitatea forţelor adiţionale de volum; - vâscozitatea dinamicǎ a fluidului (Pa.s); - vâscozitatea turbulentǎ a fluidului (Pa.s);

mgl - rata de transfer masic gaz/lichid (kg/m3.s), putem scrie sistemul de ecuaţii:

(1)

(2)

(3) Având în vedere regimul circulaţiei bifazice, curgerea în sistem este una turbulentă. Modelarea numericǎ a fenomenelor de turbulenţǎ se realizeazǎ pe baza unor modele de turbulenţǎ, modele descrise de ecuaţii semiempirice referitoare la corelaţiile fluctuaţiilor între principalii parametri de curgere şi diferitele constante rezultate în urma observaţiilor experimentale.

În modelarea numericǎ în COMSOL Multiphysics este utilizat un model de turbulenţǎ de tip biecuaţie, aşa-numitul model k-ε, cu includerea turbulenţei generate de circulaţia bulelor de gaz. Acest model se bazeazǎ pe ecuaţiile de transport pentru energia de turbulenţǎ şi pentru rata de disipaţie a energiei de turbulenţǎ (date de valorile medii ale componentelor fluctuaţiilor) (Berg şi colab., 2006; Hoffmann, 2000).

Modelul transferului de masǎ Transferul de masǎ gaz-lichid se realizeazǎ prin transferul ozonului din volumul bulelor, unde acesta coexistǎ cu gazul purtǎtor, în volumul lichidului. Transferul de masǎ este considerat a fi guvernat de teoria celor două filme şi de ecuaţia de continuitate a densitǎţii de bule n(1/m3), conform relaţiilor de mai jos (Kirk-Othmer, 2007; Comsol Inc., 2008a).


60

Fluxul molar de gaz transferat în lichid (mol/m2.s):

, unde: (4) k - coeficientul de transfer de masǎ (m/s), - concentraţia la echilibru a gazului solubilizat în lichid. Masa transferatǎ din gaz în lichid în unitatea de timp, pe unitatea de volum:

(5)

unde aria specificǎ a suprafeţei de schimb (m2/m3) cu n rezultat din rezolvarea ecuaţiei de continuitate a bulelor:

(6) Valoarea concentraţiei c, a ozonului dizolvat va fi obţinutǎ pe baza unei ecuaţii de convecţie-difuzie nonconservativǎ, de transport, pentru ozonul dizolvat în apa:

(7) unde: D - coeficientul de difuzie al ozonului solubilizat în mediul fluid (scalar sau tensorial). În cazul curgerii turbulente, intervine coeficientul turbulent de difuzie. R - rata de reacţie. În cazul de faţǎ, aceastǎ rată înglobeazǎ termenul de transfer de masǎ gaz/lichid (ozonul care intrǎ în soluţie) şi termenii de descompunere şi de reacţie cu poluanţii pentru ozonul deja dizolvat în lichid.

Reţeaua de discretizare

Reţeaua de discretizare (mesh) este datǎ de mulţimea tuturor partiţiilor unui domeniu geometric în elemente ce constituie subdomeniile de conversie a ecuaţiilor cu derivate parţiale în ecuaţii algebrice. În cazul nostru, am utilizat o reţea de discretizare de tip „free” care este un tip de reţea valabilă pentru toate tipurile de domenii, indiferent de dimensiunea în care acestea opereazǎ. Pot fi constituite din elemente triunghiulare sau poligonale cu 4 laturi în cazul dimensiunilor 2D. Pentru dimensiunea 3D elementele au formǎ de tetraedru sau de hexaedru. Este o reţea de tip nestructurat, numǎrul de elemente fiind determinat de geometria domeniului şi de setarea parametrilor utilizator (Comsol Inc., 2008b).

Rezultate şi discuţii

Modelarea fizică şi numerică a sistemului de tratare a implicat analiza a două tipuri de sisteme de contactare: sistemul de tratare la presiune atmosferică şi sistemul de tratare sub presiune (p = 1 bar).

Parametrii de intrare ai modelului sunt prezentaţi în tabelul 1.


61

Tabelul 1 Principalii parametri ai sistemului de contact şi reacţie cu ozon

Parametru/Caracteristică de bază Valoare Numărul coloanelor de tratare 2 (1 injecţie, 1 reactie şi liniştire) Înălţimea coloanelor (m) 3,30 Înălţimea pasajului de trecere (m) 3,14 Diametrul coloanelor (m) 0,41 Tipul injectorului de ozon Injector Venturi, la intrarea în prima

coloană Debitul apei la intrare în sistem (m3/h) 3,60 Tipul gazului purtător Aer uscat: temperatura punctului de

rouă de -40oC Debitul gazului purtător (Nm3/h) 0,6 m3/h Concentraţiile de O3 în gazul purtător (g O3/m3) 5; 10; 15; 20; 25 Presiunea gazului purtător la intrarea in injector (bar(g))

0,50

Diametrul mediu al bulelor (m) 0,70 x 10-3 m Temperatura apei (K) 291 Presiunea de funcţionare a coloanelor (bar (g)) 0; 1 Diametrul racordului de intrare apă/O3 (m) 0,05 Diametrul racordului de ieşire apă (m) 0,05

Valoarea constantei Henry pentru sistemul la echilibru, în fiecare punct spaţial al sistemului,

a fost calculată cu relaţia: (8)

unde: H - constanta Henry (N∙m/mol); pO3 - presiunea parţială a ozonului în gazul purtător (N/m2); cO3 - concentraţia molară a ozonului în faza lichidă la interfaţă (mol/m3); m - coeficient de echilibru Valoarea lui m pemtru apă este dependentă de temperatură t(oC) şi poate fi obţinută cu

relaţia empirică (Sanders, 1999; Mizuno şi colab., 2010): (9)

Rezultatele grafice ale modelărilor sunt prezentate în figurile 2, 3 şi 4.

Fig. 2. Parametrii de funcţionare pentru coloanele de tratare cu nivel liber (p = 0).

a) Structura dimensională a coloanelor de tratare; b) Fracţia volumică a gazului; c) Distribuţia concentraţiilor şi a liniilor de curent; d) Variaţia în timp a concentraţiilor de ozon la ieşirea din

coloanele de tratare funcţie de concentraţia de ozon în gazul de admisie.


62

Fig. 3. Parametrii de funcţionare pentru coloanele de tratare sub presiune (p = 1 atm (g)). a) Fracţia volumică a gazului; b) Distribuţia coeficientului de difuzie turbulentă; c) Distribuţia concentraţiilor şi a liniilor de curent; d) Variaţia în timp a concentraţiilor de ozon la ieşirea din

coloanele de tratare funcţie de concentraţia de ozon în gazul de admisie

Fig. 4. Variaţia concentraţiei de ozon la ieşirea din coloanele de tratare funcţie de concentraţia gazului de admisie şi condiţiile de operare

O importanţă deosebită în sistemele de contactare gaz/lichid o reprezintă fracţia de volum a

gazului în volumul lichidului, la acelaşi debit de gaz admis în sistem, o distribuţie uniformă a acestui parametru conducând la procese de transfer masic mai bune, în condiţii reduse de fluctuaţii.

Analizând cele două sisteme, se observă o distribuţie mai bună a acestui parametru în cazul sistemului sub presiune, înregistrându-se valori mai reduse ale valorilor maxime, în comparaţie cu sistemul la presiune atmosferică (0,06 faţă de 0,1) (fig. 2b, 3b). Eficienţa de transfer a ozonului în apă este dată şi de distribuţia concentraţiilor de ozon dizolvat în volumul sistemului. Pentru sistemul de ozonizare sub presiune se observă valori mai ridicate ale concentraţiilor, valorile maxime fiind de 0,543 g O3/m3, în raport cu valori de 0,368 g O3/m3 pentru sistemul la presiune atmosferică (fig. 2c, 3c). Analizând comparativ concentraţiile de ozon dizolvat la ieşirea din sistem (coloana a doua de tratare), se observă valori ale concentraţiei de ozon net superioare pentru sistemul sub presiune, în raport cu sistemul la presiune atmosferică (fig. 4). Aceste valori au o evoluţie quasiliniară în raport cu concentraţiile ozonului în faza gazoasă în sistemul de admisie al gazului ozonat în apă.


63

În consecinţă, se observă condiţii mai bune de operare pentru sistemul sub presiune, constând în următoarele aspecte: o distribuţie mai uniformă a fracţiei volumice a gazului, cu valori maxime mai scăzute decât în cazul sistemului cu nivel liber, un grad de degazare mai scăzut, urmat de concentraţii de ozon dizolvat mai ridicate în volumul coloanelor şi de o concentraţie mai ridicată a ozonului dizolvat la ieşirea din coloanele de tratare.

Datele obţinute în urma modelării numerice au fost utilizate pentru elaborarea proiectului tehnic şi de execuţie pentru sistemul operaţional de tratare cu ozon.

Concluzii

Proiectarea şi implementarea sistemelor de tratare cu ozon şi oxidare avansată implică luarea în considerare a unei multitudini de factori ce implică în special procesele de transfer de masă gaz-lichid în sistemele de contact, în vederea asigurării unor concentraţii optime de oxidant în masa lichidului tratat. În acest context, metodele numerice moderne, pe baza unor modele preexistente, permit evaluarea cu succes a parametrilor tehnologici şi funcţionali.

Scopul de bază al acestei lucrări a fost cel de a implementa un model fizic şi numeric la scară reală, pentru sistemele de contactare apă/ozon utilizate în procesele de oxidare a poluanţilor şi dezinfecţie. Modelul a fost implementat utilizând metode fizice din mecanica fluidelor (CFD-Computational Fluid Dynamics). Rezolvarea sistemului de ecuaţii cu condiţiile la limită a fost făcută utilizând metoda elementelor finite (FEM), implementată în COMSOL Multiphysics 3.5.

Modelul dezvoltat a permis determinarea parametrilor de proiectare de bază pentru sistemele de contact apă/ozon, pe baza modelării numerice şi simulării curgerii fluidului bifazic şi a evoluţiei concentraţiei de oxidant în timp şi spaţiu. Modelul poate fi aplicat atât pentru modelarea sistemelor de contact, în regim static sau în regim de curgere co- sau contracurent cu nivel liber, cât şi pentru modelarea sistemelor sub presiune, pornind de la caracteristicile de bază ale sursei de apă.

În special sistemele de oxidare avansată la scară reală pot beneficia, pe lângă metodele de modelare numerică de proces utilizate în faza de proiectare tehnologică, de optimizarea sistemelor de reacţie şi fotocataliză, venind în completarea unor metode de modelare aplicate în prealabil (Ulinici şi colab., 2010). Metoda devine cu atât mai utilă, cu cât poate scurta ciclul de timp necesar proiectării unor sisteme mai complexe, prin optimizarea parametrilor de bază ai sistemelor de contact. Acest model poate constitui baza de dezvoltare pentru modele mai complexe, cu implicarea proceselor de descompunere ale ozonului şi reacţii chimice cu materia organică naturală (NOM), sau modelarea proceselor de inactivare a microorganismelor în medii apoase în condiţii reale de exploatare.

Bibliografie 1. Berg Van den T. H., Luther S., Mazzitelli I. M., Rensen J. M., Toschi F., Lohse D. - Turbulent bubbly flow, Journal of Turbulence, 7:14, 2006 2. Blazek J. - Computational fluid dynamics: principles and applications, Elsevier Science LTD., 1-10, 2001 3. Buxton G. V., Greenstock C. L., Helmann W. P., Ross A. B. - Critical view of rate constants for oxidation of hidrated electrons, hydrogen atoms and hydroxyl radicals (OH0/O0-) in aqueous solutions, Journal of Physical and Chemical Reference Data, 17:513-884, 1988 4. Comsol Inc. - The bubbly flow model, Chemical Engineering Module User’s Guide- ver.3.5., pp. 195-205, 2008a 5. Comsol Inc. -Multiphysics User’s Guide-ver.3.5., pp. 300-343, Comsol A.B., 2008b 6. Gottschalk Ch., Libra J. A., Saupe A. - Ozonation of water and wastewater, 2nd edition, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2010 7. Hoffmann K. A., Chiang S. T. - Computational fluid dynamics, vol 3, 4th edition, Engineering Education System, Wichita, Kansas, USA, 2000 8. Hoigne J., Bader H. - Rate constants of reactions of ozone with organic and inorganic compounds in water -1. Non dissociating organic compounds, Water Research, 17:173-183, 1983


64

9. Kirk-Othmer - Encyclopedia of chemical technology, vol 1, 5th Edition, New York, Wiley & Sons, Inc., 2007 10. Lapin A., Lűbbert A. - Numerical simulation of the dynamics of two-phase gas-liquid flows in bubble columns, Chemical Engineering Science, 49(21):3661-3674, 1994 11. Mizuno T., Tsuno H. - Evaluation of solubility and the gas-liquid equilibrium coefficient of high concentration gaseous ozone to water, Ozone: Science and Engineering, 32:3-15, 2010 12. Sander A. - Compilation of Henry’s law constants for inorganic and organic species of potential importance in environmental chemistry, http://www.mcph-mainz.mpg.de/~sander/res/henry.html, Version 3, 1999 13. Ulinici S., Vlad G., Suciu L. - The study of the O3/UV advanced oxidation processes for a swimming pool water treatment, Environmental Engineering and Management Journal, 9(5):637-642, 2010 Date de contact Sorin Claudiu ULINICI: S.C. ICPE Bistriţa S.A., Str. Parcului nr. 7, cod 420035, Bistriţa, e-mail: [email protected] Grigore VLAD: S.C. ICPE Bistriţa S.A., Str. Parcului nr. 7, cod 420035, Bistriţa, e-mail: [email protected] Dumitru VẬJU: S.C. ICPE Bistriţa S.A., Str. Parcului nr. 7, cod 420035, Bistriţa, e-mail: [email protected] Suciu LIVIU: S.C. ICPE Bistriţa S.A., Str. Parcului nr. 7, cod 420035, Bistriţa, e-mail: [email protected]

metode moderne În modelarea Şi simularea … · radicali oho sunt produse în urma unor procese...

Documents