מתקן טיהור שפכים לגימור מתכת החליף דוד טבילה 6 קילוואט PTFE לאחר חמישה חודשים בלבד. המחמם הותקן במיכל השוואת 15,000-ליטר המקבל מי שטיפה מקווי ציפוי, פוספטים ואנודיז. המיכל הכיל 3-5% מוצקים מרחפים - הידרוקסידים של מתכת, משקעי סידן פוספט וגריסים. משטח המחמם הראה שכבת משקעים עבה ולא אחידה עם חלקיקים מוטבעים. התנגדות הבידוד ירדה מתחת ל-20 MΩ.
שפכים גבוהים במוצקים- שונים מהותית מאמבטיות ציפוי נקיות. הנוזל אינו פתרון-הוא השעיה. חלקיקים מוצקים מתיישבים, מתמקמים ומצטברים על משטחים מחוממים. הדרישות התרמיות והמכניות לחימום טבילה מסוג PTFE בסביבה זו מחייבות גישת תכנון המתייחסת לריכוז המוצקים, חלוקת גודל החלקיקים, מהירות השקיעה ושיטת הניקוי הזמינה במפעל.
מדוע מוצקים מרחפים משנים את משוואת העברת החום
חלקיקים מרחפים משפיעים על העברת החום בשתי דרכים. ראשית, הם מגדילים את הצמיגות האפקטיבית של הנוזל, ומעבים את שכבת הגבול התרמית במשטח המחמם. שנית, הם מתמקמים ישירות על המחמם, ויוצרים שכבה נקבובית ולא אחידה שמוסיפה עמידות תרמית ויוצרת נקודות חמות מקומיות מתחת למשקעים עבים יותר.
קצב השקיעה תלוי בריכוז החלקיקים, מהירות הזרימה במחמם ובהפרש הטמפרטורה בין המחמם לנוזל בתפזורת. טמפרטורת משטח גבוהה של המחמם מגבירה את השקיעה על ידי קידום משקעים של מינים מומסים ועל ידי גרימת חלקיקים להיצמד חזק יותר למשטח החם.
| ריכוז מוצקים מרחפים | צמיגות יחסית | קצב הפקדה על מחמם | זמן עד קנה מידה של 2 מ"מ | צפיפות וואט בטוחה |
|---|---|---|---|---|
| <0.1% (clean water) | 1.0× | נמוך מאוד | >12 חודשים | 1.5–2.0 W/cm² |
| 0.5-1.0% (מוצקים קלים) | 1.1–1.3× | נָמוּך | 6-10 חודשים | 1.2–1.4 W/cm² |
| 2-3% (מוצקים בינוניים) | 1.3–1.8× | לְמַתֵן | 3-5 חודשים | 0.9–1.1 W/cm² |
| 4-6% (מוצקים כבדים) | 1.8–2.5× | גָבוֹהַ | 6-10 שבועות | 0.6–0.8 W/cm² |
שיעורי השקיעה ממיכלי טיפול בשפכים המקבלים מי שטיפה מעורבים בציפוי ומי שטיפה פוספטים
הרכבה אנכית לעומת אופקית בשירות מוצק גבוה-
כיוון המחמם קובע אם מוצקים מתיישבים על פני השטח או מחליקים. תנור חימום אופקית מציג משטח גדול הפונה כלפי מעלה- שבו חלקיקים מצטברים על ידי כוח הכבידה. שכבת הפיקדון גדלה מלמעלה למטה, וההצטברות העבה ביותר מתרחשת על המשטח העליון שבו הזרימה החלשה ביותר.
מחמם המורכב אנכית מציג חתך אופקי- קטן יותר. מוצקים המתיישבים על החלק העליון של האוגן או על איברי תמיכה אופקיים אינם מצפים את המשטח המחומם המלא. משטח המחמם האנכי חווה בעיקר שקיעת גזירה- במקום שקיעת כוח הכבידה. נתוני שטח ממיכלי שפכים מראים שתנורי חימום המורכבים אנכית צוברים 40-60% פחות משקעים באותה תקופת הפעלה בהשוואה ליחידות אופקיות.
| כיוון הרכבה | צבירת פיקדון | תדירות ניקוי | האפליקציה הטובה ביותר |
|---|---|---|---|
| אופקי, פונה כלפי מעלה- | גָבוֹהַ | תָכוּף | לא מומלץ |
| אופקי, פונה-למטה | לְמַתֵן | לְמַתֵן | מקום מוגבל |
| אנכי, מקביל לזרימה | נָמוּך | נָדִיר | רוב היישומים |
| אנכי, מאונך לזרימה | לְמַתֵן | לְמַתֵן | מיכלי-זרימה גבוהה |
כיוון הרכבה והשפעתה על הצטברות פיקדונות
אפקטים של גימור פני השטח וגיאומטריית מחמם
משטח PTFE חלק ומלוטש מפחית את חוזק ההידבקות של מוצקים שהושקעו. חלקיקים שייתחברו בעקשנות למשטח מחוספס מחליקים בקלות רבה יותר כאשר מהירות הזרימה עולה במהלך מחזורי ערבוב או ניקוי מיכל. משטחים מלוטשים מאריכים את מרווח הניקוי ב-30-50% בשירות-מוצקים גבוה בהשוואה לגימור משטח סטנדרטי.
גם קוטר המחמם משנה. למעטה-קוטר גדול יותר יש יחס משטח-נמוך יותר-ל-נפח, מה שמקטין את השטח הכולל הזמין להצבה ליחידת הספק שסופקה. אבל קוטר גדול יותר פירושו גם פחות שטח פנים לאורך נתון, המצריך מחמם ארוך יותר או צפיפות וואט גבוהה יותר כדי להשיג את אותה תפוקה.
אסטרטגיות תסיסה וניקוי עבור מוצקים-טנקים עמוסים
ערבוב מהיר-לסירוגין יעיל יותר מאשר ערבול מתמשך ברמה נמוכה-לשירות מוצקים גבוהים-. העלאת מהירות הזרימה במחמם מעת לעת ל-0.5-0.8 מ"ש מוציאה משקעים רופפים לפני שהם מתקשים לשכבה עיקשת. ניתן להשיג זאת באמצעות טיימר מבוקר-או משאבת ערבוב ייעודית שפועלת במשך 5-10 דקות בכל שעה.
ניקוי כימי במקום דורש תמיסת ניקוי שממיסה את הרכב הפיקדון הספציפי. קשקשי מתכת הידרוקסיד מגיבים לחומצה מדוללת. משקעי סידן פוספט דורשים חומר קלתי או השריית חומצה עדינה. לוח זמנים לניקוי המבוסס על ממצאי בדיקה-לא לוח שנה קבוע-מונע מהמשקעים להגיע לעוביים שמובילים את טמפרטורת פני המחמם לטווח השפלה.
| שיטת ניקוי | יעילות על הידרוקסידי מתכת | יעילות על קשקשי פוספט | סיכון ל-PTFE | מרווח מומלץ |
|---|---|---|---|---|
| דלל את זרימת HCl | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | נָמוּך | 4-8 שבועות |
| השריית חומצה סולפאמית | לְמַתֵן | גָבוֹהַ | נָמוּך | 6-10 שבועות |
| קלציית EDTA | לְמַתֵן | גָבוֹהַ | נָמוּך | 8-12 שבועות |
| סילון מים בלחץ גבוה{{0} | גָבוֹהַ | לְמַתֵן | לְמַתֵן | 8-12 שבועות |
| הברשה מכנית | גָבוֹהַ | גָבוֹהַ | גָבוֹהַ | לא מומלץ |
המלצות לשיטת ניקוי ממתקני טיפול בשפכים עם מחממי טבילה PTFE
שלבי מפרט מעשי עבור שפכי-מוצקים גבוהים
התחל עם אפיון מוצקים. ריכוז המוצקים המרחפים הכולל, התפלגות גודל החלקיקים והרכב המינרלים קובעים את קצב השקיעה ואת שיטת הניקוי הנדרשת. ניתוח גרבימטרי פשוט וסקירה של כימיה של תהליך במעלה הזרם מספקים את רוב המידע הדרוש.
בחר צפיפות וואט מריכוז המוצקים בפועל. עבור 2-3% מוצקים מרחפים, הגבלה של 0.9-1.1 W/cm² מתאימה. מעל 4% מוצקים, ירידה ל-0.6-0.8 W/cm². ערכים אלו מניחים הרכבה אנכית וערבוב{10}}תקופתי במהירות גבוהה. הרכבה אופקית דורשת הפחתה נוספת של 20-30%.
ציין משטח מחמם מלוטש. העלות הנוספת צנועה וההארכה במרווח הניקוי היא משמעותית. ודא שלמכל יש עומק מתאים להרכבה אנכית עם לפחות 75 מ"מ של כיסוי נוזלי מעל החלק המחומם. אם העומק אינו מספיק, שקול מספר תנורי חימום קצרים יותר במקום יחידה אחת ארוכה.
התקן ניטור זרימה והפסקת-טמפרטורה גבוהה. בשירות-מוצקים גבוה, מסנן סתום או משאבת ערבוב כושלת יכולים להוריד את מהירות הזרימה מתחת לסף הבטוח תוך שעות. מתג זרימה ומגבלת טמפרטורת פני החימום של 15-20 מעלות מעל טמפרטורת ההפעלה הרגילה מספקים הגנה מפני התחממות יתר המהירה בעקבות אובדן זרימה.
כאשר תנורי חימום סטנדרטיים אינם יכולים להכיל את עומס המוצקים
מיכלי טיפול בשפכים עם ריכוזי מוצקים גבוהים וחלל היקפי מוגבל לרוב אינם יכולים להכיל מחממי טבילה סטנדרטיים מסוג PTFE בצפיפות הוואט המונעת התכלות מהירה. הפעלת 6 קילוואט ב-0.8 W/cm² דורשת 7,500 ס"מ משטח מחמם-יותר ממה שמספק מחמם יחיד בממדים טיפוסיים של מיכל.
תצורת מחמם טבילה מותאם אישית מסוג PTFE עם שטח פנים גדול, צפיפות וואט נמוכה ומשטח מלוטש מטפל בגורם השורש של עכירות הקשורה למוצקים-. תהליך המפרט דורש את ריכוז המוצקים המרחפים, מאפייני החלקיקים, ממדי המיכל, שיטת הערבוב והספק הנדרש. עבור מתקנים עם מיכלי טיפול בשפכים מרובים, גישה ספציפית ליישום-מפחיתה התחממות יתר הקשורה להפקדות- ומרחיבה את המרווח בין הניקויים הנדרשים.
