FİLTRE GERİ YIKAMA SİSTEMİNDE TAŞKIN YATAĞIN AKIŞKAN YATAKLA KARŞILAŞTIRILMASI

Transkript

1 ARAŞTIRMA SKKD Cilt 14 Syı 1 sh , 2004 FİLTRE GERİ YIKAMA SİSTEMİNDE TAŞKIN YATAĞIN AKIŞKAN YATAKLA KARŞILAŞTIRILMASI Ayşe ÇEÇEN ERBİL ve Must TURAN İstnbul Teknik Üniversitesi, İnşt Fkültesi, Çevre Mühenisliği Bölümü, Mslk, 34469, İstnbul Öz: Su ve tıksulrın rıtılmsın iltrsyon önemli bir yer tutmktır. Filtrelerin temizlenmesi ise iltre mlzemesini kybetmeen iltreyi geri yıkmk suretiyle yılmktır. Teorik ve eneysel çlışmlr, iltre ytğı kışknlştırılrk tortu meleren temizlenmesinin meknizmsı rştırılmış, geri yıkm yıln itrelerin hiroinmik özellikleri ve bu roses esnsınki enerji hrcnmsı incelenmiştir. Lbortuvr eneylerine çıkış suyu bulnıklılığı (T e ) ve geri yıkm hrcnn su miktrı (V b ) belirlenmiştir. Tnecikler üzerine biriken tortu melerinin yrılmsı r, hiroinmik kym gerilmesi (τ ), türbülns çlkntılrı (C 0.5 /Re) n ve geri yıkm suyu miktrının (V b ) onksiyonu oluğu bulunmuştur. Akışkn ytklr, orosite 0,75 civrın mksimum kym gerilmesi ve etkin temizleme sğlnmıştır. Drt tülü tşkın ytklr ise teorik çlışmlrın sonucun, kışkn ytktkinen h yüksek kym gerilmesi eğerleri ele eilmiştir. Anhtr Kelimeler: Geri yıkm, tşkın ytk, kışkn ytk, hiroinmik kym gerilmesi, türbülns rmetresi COMPARATIVE EVALUATION OF SPOUTED BED AND FLUIDIZED BED IN BACKWASHING OF FILTERS Abstrct Theoreticl n exerimentl stuies were erorme to evlute the etchment mechnisms o eosite mteril by luiizing the ilter mei. The hyroynmic chrcteristics o bckwshe ilter n the energy issition uring bckwshing rocesses were investigte. Direct mesurements o the eluent turbiity, T e, n the bckwsh wter volume, V b, were me uring bckwshing in the lbortory exeriments. The etchment rte o eosite mteril, r, ws oun to vry with hyroynmic sher (τ ), turbulence luctutions (C 0.5 /Re) n bckwsh wter volume (V b ). Mximum sher stress cuses mximum etchment o the eosite mteril rom the ilter mei. Thus, otimum clening is obtine t solis rction o (or orosity o ). Clcultions show tht insie the rt tube o sout-lui be, higher sher stress vlues re obtine thn in luiize be o the sme solis rction. The turbulence issition rmeter is lso higher insie rt tube thn in luiize be. Keywors: Bckwshing, soute be, luiize be, hyroynmic sher stress, turbulence rmeter GİRİŞ Filtrsyon işleminin sonlrın oğru, itre ytğın biriken tortu melerinin gözenekleri tıkyı, şırı yük kybın ve kıs evreye sebe olmsı sonucu geri yıkm gerekli hle gelir (Kwmur, 1999). Ayrıc iltre ytğının tıknmsı üzerine, ytk gözeneklerine biriken rklı tortu melerinin krkteristikleri e önemli rol oynmktır (Boller ve Kvnugh, 1995). Geri yıkm rosesi genellikle, kışın ters yöne verilerek iltre ytğının kışkn hle getirilmesiyle sğlnmktır. Bu esn kış hızı tnecikleri skı tutck mertebee olu, hızın rtışı ytğın genleşmesineki rtış sebebolur. Geri yıkm, ytk gözeneklerinin genişlemesiyle gözeneklere biriken tortu melerinin temizlenmesinin kolylşmsı sebebiyle tvsiye eilen bir metour (Amirthrjh, 1978; Clesby ve Fn, 1981).Geri yıkm tnecikler üzerine tesir een kuvvetler inmik bir engeye shi olu, yerçekimi kuvvetinin (F g ) klırm kuvvetinin (F b ) ile rkı sürükleme kuvvetine (F ) eşittir: 17

2 A. ÇEÇEN ERBİL ve M. TURAN F = F g - F b (1) Bur F g = (π s 3 /6) ρ s.g, F b = (π s 3 /6) ρ.g, s = tnecik çı, ρ s = tnecik yoğunluğu, ρ = kışknın yoğunluğu, ve g= yerçekimi ivmesiir. Filtrelerin geri yıknmsı, iltre ytğının kışkn hle getirilmesiyle gerçekleşir. Geri yıknn iltrelere kış rejimi lminer kım ve türbülnslı kım rsınki geçiş rejimeir (1< Re t < 500) (Amirthrjh, 1978). Küresel olmyn tnecikler için Richrson-Zki Korelsyonu kışkn ytğın ytk genleşme özelliklerini şğıki şekile tnımlmktır: U/U i = ε n U i / U t = 10- s /D 0,1ψ n= (4,45+18 s /D)Re t =-2,924ψ 0,884-0,363 Re t 1<Re t <500 için (2) (2b) (2c) (2) (Richrson ve Zki, 1954; Clesby ve Fn, 1981). Bur U= yukrı kış hızı, U i = ururm hızı, U t = tnecik çökelme hızı, ε= kışkn ytk orozitesi, n= ytk genleşme ktsyısı, Re t = ρu t s /µ= tnecik Reynols syısı, D= kolon çı, ψ= küresellik ktsyısı, ve µ= kışknın inmik vizkozitesiir. GERİ YIKAMADA ENERJİ KAYBI Akışkn Ytklı Sistem Askı ktı me içeren kışlr enerji enklemi Itkur ve Kishi (1980) trınn şğıki şekile verilmekteir: τ u/y= ρu * 3 /KL m +βρ U * 3 / KL m +ρ U * 3 /Ky (3) Akışkn ytktki kımlr için enerji enklemi ise şğıki gibi yzılbilir (Turn, 1992) : τ u/y= (α 1 ρu * 3 /KL m +βα 1 ρ U * 3 / KL m +ρu * 3 /Ky)ε (n-1) (3b) Denklem 3b nin sol trı Reynols gerilmeleri ile üretilen enerjiyi ve eşitliğin sğ trı kımki hrcnn enerjiyi göstermekteir. Bur L m = U * 3 (K g (ρ s /ρ-1)u t (1-ε))=Monin-Obukhov uzunluğu, α 1 = U i /U o = tnecik özelliğine bğlı ktsyı (Monin ve Obukhov, 1973; Turner, 1973), U * = ((Rgρ(ρ s/ ρ- 1) (1-ε)/2ρ ) 0,5 = sürtünme hızı, β= tneciklerin rstgele hreket ktsyısı, ρ = ρ(1+(ρ s /ρ-1) (1-ε) )= ktı tnecik içeren kışknın ortlm yoğunluğu, K= K o /(1+2(1-ε))= von Krmn Universl sbiti ve K o =(0,4) s su için K nın eğeriir (Hino, 1963). Denklem 3 en, hiroinmik kym 18 gerilmesi ele eilir ve iltre kolonu ik kesiti üzerine ritmetik ortlmlı olrk heslnırs, τ = ε (n-1) ((1-ε) 0,5 +b(1-ε)) (4) bulunur. Bur ve b sbitlerir. Türbülnsın kışkn ytk içine hrcnn enerjiye ktkısını belirten C ktsyısı ve türbülns şietinin ((u 2 ) 0,5 /U) etkisini gösteren türbülns rmetresi (C 0,5 /Re) sırsıyl şğıki şekile verilmekteir (Turn, 1992): C τ = µ G 1 = ε (n-1) (+b(1-ε ) 0,5 ) / ( µ 1 (ln b 1 (1-ε ) 0,5-1))- 1 (5) ve C 0,5 /Re ( (u 2 ) 0,5 /U) (6) Bur Re= ρu s /µ = kış Reynols syısı, 1 ve b 1 sbitlerir. Drt Tülü Tşkın Ytklı Sistem Benzer bir nliz tşkın ytk içineki rt tübünün içine kn su ve tnecik krışımın uygulns, bu urum Itkur ve Kishi (1980) nin ie ettiği enerji enklemi (enklem 3) orijinl hliyle kullnılbilir. U * eğerlerini heslmk için sürtünme hızı U * =(τ/ρ ) 0,5 =((D/4ρ )( P/L)) 0,5 enklemine P/L terimi yerine rt tübün içine tnelerin sbit hızl hreket ettiği bölgee ölçülen bsınç üşüşü kullnılır. K ve L m terimlerini heslmk için gereken rt tübü içineki orozitenin (ε) belirlenmesi gerekmekteir. Porozite eneysel olrk ölçülmesi mümkün olmyn bir rmetre olu, Grbvcic ve iğ. (1992) nin öneriği şekile, rt tüün içineki inmik bsınç kybı ile tnelerin skıki ğırlığı ve su ve tneler ile ytk cirı rsınki sürtünme kyılrı heslnrk şğıki enklemen heslnmıştır: P ε g + Fw ; z F = F + F (7) = ( 1 )( ρ ρ ) w F terimi Blsius enkleminen şğıki şekile heslnır. F = 2 ε ρ u / D (8) 2

3 Filtre Geri Yıkm Sistemine Tşkın Ytğın Akışkn Ytkl Krşılştırılmsı Bur Reynols syısın bğlı olrk ; Re = D U ρ / µ (9) 0.25 = Re şekline verilmiştir. F ise Grbvcic ve iğ. nin (1992) öneriği şekile şğıki enklemen heslnır. F = (1 ε ) ρ g (10) Drt tülü tşkın ytkt eğişik eneysel şrtlr için P /z eğerleri ölçülmüş ve enklem 7-10 n rt tü içineki orosite ( ε) heslnmıştır. K ve L m terimlerinin e heslnmsıyl, kym gerilmesi (τ) enklem 3 türbülnslı kımlr için u/y=u * /Ky, lminer ile türbülnslı kım rsınki geçiş rejimine ise u/y=2u * /Ky kullnılrk ele eilebilir. Denklem 3 n görülüğü gibi, kym gerilmesi ytk cirınn oln meseyle eğişmekteir. Bu urum kym gerilmesinin ytğ ik bir kesit üzerine ritmetik ortlmlı olrk belirlenmesi h nlmlı olcktır. Sonuç olrk ortlm kym gerilmesi, τ, türbülnslı kım urumun 2 (1 + β ) R τ = ρu* 1 + (11) 3Lm geçiş rejimine ise, 2 1 (1 + β ) R τ = ρu* + (12) 2 6Lm şekline ele eilir. Aynı şekile, ritmetik ortlmlı hız grynı, G, türbülnslı kım ve geçiş rejimi için bşk yere heslnmıştır (Çeçen n Turn, 2004). Dolyısıyl, enklem 4 ve 5 kullnılrk, türbülnsın hrcnn enerjiye ktkısını belirten C ktsyısı ve türbülns rmetresi (C 0,5 /Re) ele eilmiştir. A=Besleme tnkı, B=Krıştırıcı, C=Pom, D=Sbit seviye tnkı, E=Giriş httı, F=Filtre, G=Piyezometre tüü, H=Rotmetre, I=Geri yıkm httı, L=Pom, ve M=Boşlm httı. Şekil 1. Filtrelere geri yıkm sisteminin şemtik gösterimi. 19

4 A. ÇEÇEN ERBİL ve M. TURAN Elek Drt tü Ytk Ytk su girişi Hv girişi Tü su girişi Şekil 2. Drt tülü tşkın ytk DENEYSEL ÇALIŞMA Kum iltrelerinin geri yıknmsın, iltre ytğı kışkn hle hle getirilmekteir. Akışkn ytk eneylerine, çı 100 mm ve uzunluğu 1 m oln iltre kolonun tiik iltre kumu kullnılmış olu, ortlm tnecik çı 0,545 mm (Elek no. 30/35), yoğunluğu 2,65 g/cm 3,, ytğın sttik erinliği 20 cm ve orozitesi 0,468 ir (Şekil 1). Deneye kullnıln sentetik su, musluk suyun 50 mg/l Toser srı kili ve 25 mg/l emir klorür (FeCl 3,6H 2 O) ilvesiyle hzırlnmış olu, 23 NTU bulnıklılık eğerineir. Besleme tnkı 340 1t hcmın olu çökelmeyi önlemek için bir krıştırıcı yerleştirilmiştir. Akışkn ytk ile tşkın ytğın erormnsının krşılştırılmsın, 1.94 mm ve 3 mm çın cm kürelerle çlışn rt tülü iki ti tşkın ytğ it veriler kullnılmıştır (Grbvcic ve iğ., 1992; Çeçen Erbil, 2003,b). Drt tübün içineki bsınç roilleri rklı eney şrtlrın ölçülmüş ve rt tü içinen geçen su miktrı stnmıştır. Bu verileren kym gerilmesi ve türbülns rmetreleri heslnmıştır. Şekil 2 e rt tülü tşkın ytk görülmekteir. DEĞERLENDİRME Akışkn Ytklı Sistem Filtrelerinin kışkn ytklı geri yıknmsı yukrı kış hızı U, geri yıkm süresi t b, hrcnn suyun hcmı V b, çıkış suyu bulnıklılığı T e, ve kışknlşmış iltre mlzemesinin tnecik konsntrsyonu C v = (1-ε) oğrun ölçülerek bulunmuş, hiroinmik kym gerilmesi τ, ve türbülns rmetresi C 0,5 /Re ise sırsıyl enklem 4 ve 6 n heslnmıştır. Amithrjh (1978) ytığı çlışmsın geri yıkm esnsın iltre ytğının tnecikleri rsın çrışm ve sürtünme etkilerinin üşük mertebee olu iltre ortmının temizlenmesine etkin rmetrenin hiroinmik kym gerilmesi oluğunu öne sürmüştür. Wen ve Yu (1966) kışkn ytk gibi çok tnecikli sistemlere bir tnecik üzerine etkili oln sürükleme kuvvetinin, tneciği çevreleyen iğer tnecikler trınn etkileniğini belirtmekteir. Hiroinmik kym gerilmesi, kışknlşmış iltre tneciklerinin konsntrsyonun (vey ytk orozitesine) bğlı olrk eğişmekte olu, mksimum kesme kuvveti, tnecik konsntrsyonu 0,25 vey orozite 0,75 civrın iken oluşmktır (Şekil 3). Filtree biriken tortu melerinin yrılm ornının r, rklı geri yıkm sürelerine (4, 8, 10 ve 20 kik) bğlı olrk eğişimi inceleniğine, tnecik konsntrsyonu 0,3 (vey orozite 0.7) iken bir minimum shi oluğu görülmekteir (Şekil 4). Dolyısıyl bu eğer civrın iltree kln tortu melerinin en z miktr oluğu nlşılmktır. Ayrıc iltree biriken tortu melerinin en zl uzklştırılığı yni otimum temizlemenin yılığı tnecik konsntrsyonu, hiroinmik kym gerilmesinin mksimum eğerlerine krşılık gelmekteir. Türbülns rmetresi C 0,5 /Re, geri yıkm esnsın hrcnn enerjie türbülnsın etkisini gösteren bir rmetre olu, türbülns şieti ile ((u 2 ) 0.5 /U) benzerlik gösterir. Hnrtty v (1956) türbülns şietinin, kışkn ytk içineki tneciklerin konsntrsyonun bğlı olrk eğiştiğini göstermişlerir. Şekil 5 e görülüğü gibi türbülns rmetresi, tneciklerin konsntrsyonunki rtışl birlikte rtmkt vey iltre ytğının genleşmesiyle birlikte zlmktır. Filtre ytğının en iyi temizleniği tnecik konsntrsyonunun 0,3 eğerine, türbülns rmetresi 0,9 olmktır. 20

5 Filtre Geri Yıkm Sistemine Tşkın Ytğın Akışkn Ytkl Krşılştırılmsı Hiroinmik kym gerilmesi,(n/m 2 ) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tneciklerin konsntrsyonu Şekil 3. Hiroinmik kym gerilmesinin tneciklerin konsntrsyonun göre eğişimi. 1 Tortu melerinin yrılm ornı, r 0,8 0,6 0,4 0,2 t= 4m in t= 8 m in t=10m in t=20m in 0 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 Tneciklerin konsntrsyonu Şekil 4. Tortu melerinin yrılm ornının tneciklerin konsntrsyonun göre eğişimi Türbülns rmetresi,c 0,5 /Re 1.4 y = e x 1.2 R 2 = Tneciklerin konsntrsyonu Şekil 5. Türbülns rmetresinin tneciklerin konsntrsyonunun onksiyonu olrk eğişimi Drt Tülü Tşkın Ytklı Sistem 21

6 A. ÇEÇEN ERBİL ve M. TURAN Tşkın ytk içine rt tübü kullnılrk geri yıkm işlemine kym gerilmesi ve türbülnsın kışkn ytk içine hrcnn enerjiye ktkısını belirten C ktsyısı teorik olrk belirlenmiştir. Akışkn ytkl krşılştırmk için rt tüle ynı orozitee oluğu rz eilen ve ynı çt bir kışkn ytk içine kym gerilmesi ve türbülns rmetreleri heslnmıştır. Şekil 6 e kışkn ytk ve rt tü içine kym gerilmesi ile tneciklerin konsntrsyonu rsınki ilişki gösterilmiştir. Bur görülüğü gibi, kym gerilmesi, kışkn ytkt rt tü içinekinen h üşüktür. 120 =1.94 mm, rt tü, geçiş rejimi Ayrıc kym gerilmesi için otimum bir orozite eğeri yoktur, tnecik konsntrsyonu rttıkç kym gerilmesi eğerleri e yükselmekteir. Drt tü içine C eğerleri ynı orozitee çlıştığı rzeilen bir kışkn ytktn h yüksek bulunmuştur. Dolyısıyl, türbülnsın ytk içine hrcnn enerjiye ktkısı, rt tü urumun h yüksektir. Türbülns şietinin etkisini gösteren türbülns rmetresi, C 0,5 /Re, Şekil 7 e görülüğü gibi, tnecik konsntrsyonu zlıkç zlmktır. Bu urum hem kışkn ytk hem e rt tübü için geçerliir ve Hnrtty ve iğ. (1956) nin bulgulrıyl uyumluur. Kym Gerilmesi,, (N/m 2 ) =1.94 mm, kışkn ytk, geçiş rejimi =3 mm, rt tü, türbülnslı kım =3 mm, rt tü, türbülnslı kım, nnulus içine hv =3 mm, kışkn ytk, türbülnslı kım Tnecik konsntrsyonu, 1-ε Şekil 6. Akışkn ytk ve rt tü içine kym gerilmesi ile tneciklerin konsntrsyonu rsınki ilişki Türbülns Prmetresi, C 0.5 /Re =1.94 mm, rt tü, geçiş rejimi =1.94 mm, kışkn ytk, geçiş rejimi =3 mm, rt tü, türbülnslı kım =3 mm, rt tü, türbülnslı kım, nnulus içine hv =3 mm, kışkn ytk, türbülnslı kım Tnecik konsntrsyonu, 1-ε Şekil 7. Türbülns şietinin tneciklerin konsntrsyonun bğlı eğişimi 22

7 Filtre Geri Yıkm Sistemine Tşkın Ytğın Akışkn Ytkl Krşılştırılmsı SONUÇLAR Geri yıkm esnsın iltre ytğı kışkn hle getirilmekteir ve kış rejimi, lminer ve türbülnslı kışlr rsınki geçiş rejimineir. Ortlm hiroinmik kym gerilmesi τ, tnecik konsntrsyonunun (C v =1-ε) bir onksiyonu olrk eğişmekteir. Mksimum hiroinmik kesme, tnecik konsntrsyonu 0,25 (vey orozite 0,75) iken ele eilmekteir. Türbülns rmetresi C 0.5 /Re, türbülns şietine benzer olrk geri yıkm türbülnsın etkisini krkterize etmekteir. Türbülns rmetresi, tnecik konsntrsyonu ile rtmkt, kışkn ytğın genleşmesiyle zlmktır. Türbülns rmetresi 0,9 ve tnecik konsntrsyonu 0,3 eğerlerine, tortu melerinin yrılm ornı r bir minimum shitir. Drt tübü için yıln heslr göre kym gerilmesi eğerleri kışkn ytktkinen yüksek çıkmktır. Ayrıc kym gerilmesi için otimum bir orozite eğeri yoktur, tnecik konsntrsyonu rttıkç kym gerilmesi eğerleri e yükselmekteir. Bu urum, iltre geri yıkm işlemi için, rt tülü bir sistemin üşük ytk genleşmelerine kullnımı uygun olbilecektir. KAYNAKLAR Amirthrjh, A.(1978) Otimum Bckwshing o Sn Filters. J. Environ. Engrg, ASCE, 104(5), Boller, M.A. n Kvnugh, M.C. (1995) Prticle Chrcteristics n Heloss Increse in Grnulr Mei Filtrtion, Wt Res., Cecen-Erbil, A. (2003) Annulus lekge n istribution o the lui low in liqui sout-lui be with rt tube, Chem. Eng. Sci., 58(20), Cecen-Erbil, A. (2003b) Distribution o the lui low n nnulus lekge in three-hse sout-lui be with rt tube: eect o the nnulus ertion on nnulus lekge n rticle circultion, Chem. Eng. Sci., (Submitte, in review). Cecen-Erbil n Turn, (2004) Assessment o the energy issition rmeters insie the rt tube o liqui sout-lui be, Environ. Sci. Technol (Submitte) Clesby, J.L.; Fn, K. (1981) Preicting Fluiiztion n Exnsion o Filter Mei. J. Environ. Engrg, ASCE, Grbvcic, Z. B., Vukovic, D. V., Jovnovic, S. Dj., Gric, R. V., Hzismjlovic, Dz. E., Littmn, H., n Morgn, M. H. III.(1992) Flui low ttern n solis circultion rte in liqui hse sout-lui be with rt tube, Cn. J. Chem. Eng., 70, Hnrtty, T.J.; Ltinen, G.; Wilhelm, R. H. (1956) Turbulent Diusion in Prticultely Fluiize Bes o Prticles. J. Americn Inst. Chem. Engrs, 2(3), Hino, M. (1963) Turbulent Flow with Susene Prticles. J. Hyr. Engrg ASCE, 89 (4), Itkur, T.; Kishi, T. (1980) Oen Chnnel Flow with Susene Seiments. J. Hyr. Engrg ASCE, 106 (8), Kwmur, S. (1999) Design n Oertion o High-rte Filters. J. Americn Wt. Works Assoc., 91 (12), Monin, A.S.; Obukhov, A.M. (1973) Bsic Reltionshi o Turbulent Mixing in the Surce Lyer o the Atmoshere, In Buoyncy eects in luis, Cmbrige Univ. Press: Cmbrige, Engln. Richrson, J.F.; Zki, W.N. (1954) Seimenttion n Fluiiztion: Prt I. Trns. Inst. Chem. Engrg, 32 (1), Turn, M. (1992) Velocity Grient in Filter Bckwshing. J. Environ. Engrg, ASCE, 118 (5), Turner, J. S. (1973) Buoyncy eects in luis, Cmbrige Univ.Press: Cmbrige, Engln. Wen, C.Y.; Yu, Y.H. (1966) Mechnics o Fluiiztion, Chem. Engrg. Progress Sym. Series, 62,