流動解析をもちいた圧力式ろ過器の改良]mprovement

typeof pressure

throughflow@filteranalysIS､環(環)生産本部設計部官需第1グルー
正木洋一

Yoichi

Masaki(環)生産本部設計部機器グルー:室井治
OsamtlMnroi(環)生産本部工務部官需第1グルー
松本
好一

Koichi

MatstlmOtO

圧力式ろ過著削こおいて,稽内の流路長さが短くろ過速度が大きい場合,ろ材の洗動,盛上がりが発生し,処理性能が低下する｡この間題解決のために,当社では流動解析をもちいて,原水流入管形状の最適化をおこなった｡流動解析は,ろ過器槽内解析と原水流入管の均等分散解析の2段階でおこなった｡その結果,多孔式流入管をもちいることによりろ材の流動,盛上がりが抑制された｡
これは,実装置におけるろ過速度30m/bでの運転で証明された｡

Filter media
velocity,

distribution
withlowcausing

improvementofTheof inlet pipe. Porous
filterunit

Words

lntreatability.To

inlet pipes.

the full‑scale

Eeybuild‑up

mlgrateandatapressure

solve

analysis
pipes

type

filter with

now

short

lengthand

this problem,

rlumerical凸ow

analysis

wasincluded

stages; forinsidetheCOuldinhibit

twomlgrationand

filtration velocityofflowbuild‑upof media･highfiltration
forcondllCted
tank
This

flow

and
wasproved

30 mnl.

:

過ろろ材

数値

多孔

流器

Fi lter流動

Migration

解析

Nu皿ericalarlalysIS

入管PorollS

ま えがきof filter media

inlet pipe

いなどの利点があり,横型ろ過器にはたて型ろ過=水処理設備において原水中の浮遊物,懸濁粒子のに比べて装置高さが低くなること,ろ過面積が大除去のためにろ過操作がもちいられるが,その中でくとれるといった利点がある｡一般的にたて型ろこもloom/日以上のろ過速度で砂などの粒状ろ材層を通過させる急速ろ過法が最も多用されている｡急速器が多くもちいられるが,装置の高さ制限があるこ
合や処理量を多くしたい場合には横型ろ過器がもろ過装置には,池内に自由水面を持ち流入側と菰出いられている｡側との水頭差を利用する重力式ろ過器,密閉構造で圧力式ろ過器において原水流量が増加すると,あり外殻に内圧がかかる圧力式ろ過器がある｡圧力過器内壁から中央部分にかけて大きを循環流が生し式ろ過券には,たて型と横型がある｡たて塑ろ過器

ろ材表面速度が大きくなるため,ろ材が涜勤し,には,ろ材厚さを厚くできること,設置面積が小さ央に盛り上がる現象が発生する｡ろ材の盛り上が40

神鋼パンテツク技報

Vol.

45

No.

2(2002/が起こると,原水はろ材厚さの薄い部分を集中的に2.流動解析手法淀れるため,全体として処理性能の低下を招く｡こ今回,流れ場は3次元非圧縮性乱流として定常解の間題を解決するには,槽内ろ材の流動をおこす流析をおこなった｡解析手法として,流動解析で最もれを抑制して,槽内により均一な下向涜を形成する多くもちいられている有限差分法をもちいた｡乱沈

原水流入管形状にする必要がある｡今回,原水流入モデルにはk‑Eモデルをもちいた｡使用した数式は管の形状決定のため流動解析を実施し,実機テスト以下のとおりである｡と合わせて良好な結果を得ることができたので報告

質量保存式

する｡

1.砂ろ過器ろ材流動と流動解析

些i‑=

これまで当社は,たて型と横型を合わせて数多くの圧力式ろ過器を納入してきた｡しかし,横型ろ過

∂xi

(1)

o

運動量保存式器においてろ過速度が大きい場合,ろ材の涜動が起こり,中央部に山脈状に盛り上がる現象が発生した｡
この解決には原水流入管形状を改良し,槽内での循環涜を抑制し,均一下向涜を形成する必要がある｡
ここで実機テストでは,装置規模が大きいこと,

祭＋欝‑貰＋%p[告‑puiuj](2)

乱流エネルギと粘性消散率の輸送方程式

既に装置が稼動中であること,高額の費用を要することなどの理由で試行回数が限られてくる｡これに対して涜動解析では,モデル形状変化や条件設定を

晋＋9欝‑孟[若君]･Gs･Gr‑p(3)

コンピュータ上で比較的容易におこなうことができるので,製品の構造設計には非常に有効である｡そこで今回,原水流入管改良の方向付け,形状決定に晋＋箸‑孟[若君]際して流動解析を実施した｡(4)･cli(Gs'G,)(1'C3Rf)

本報では,例として￠3200mm横型ろ過器について報告するが,この他に￠2400皿横型ろ過器についても同様の方法で解析をおこなった｡‑c2告￠3200皿

横型ろ過器の概略図を第1図に示す｡原水は上部原

レイノルズ応力項は次式(5),(6)のとおりである｡

水流入管より流入,各噴孔から吐出し,ろ材を上から下へ通過してえられた処理水は下部集水管より淀出する｡ろ材はアンスラサイト,ろ砂の2層式である｡

uiuj‑‡k6i,･‑Pl[%･号](5)nlet plpe

Build‑upof

丘1ter media●●(ilteT̲̲‑一‑‑‑メCollection

第1図
Fig.

1

￠3200皿横型ろ過器概略図
Modelof the ￠3 200mhorizontalfilter

Vol.

45No.

a(2002/2)

plpeequipment

神鋼パンテツク技報41

k2FLt ≡(6)

CIP了￣に示すo (丑改良前モデルでは, ￠30穴の吐出角度オ120oで配置されている｡流入管改良案のうち代表郎

な2例を次のeX3)に示す｡ ②多孔式モデルは,真7

ただし各記号の意味は次式(7ト色o)のとおりである｡

を除いた周方向11穴である｡噴孔径は後述の均等/jj
散解析により決定した｡
GsGr

(7)

‑

pl[%･%]%‑giBi%(参は改良前モデルの流入窄

まわりを整流板で囲ったもので,開口率は横と下てことなる｡長手方向の噴孔ピッチ,噴孔数は等しい((8)

すべて原水流量は等しく,
3. 2Gγ(9)良/‑Gs＋G,LV‑30mnlである｡

槽内解析結果(丑改良前および②多孔式の場合の洗速ベクトル,流速分布図をそれぞれ第4図(a),(b)にしめす｡ ①e3
良前では,噴流が内壁に衝突し,沿う流れが強く,

uk‑

1.0, o8‑

1.0, Cl‑

1.44, C2‑

1.92,

(10)
C3‑0,ot‑0.9,この循環涜がろ材涜動をおこしていると思われる｡

Ct‑0.09

式中の大文字は時間平均項を示す｡ただし,各記:涜体密度[kg/m3]〟:粘性係数[pa･s]β:体積膨張率[1/℃]gi:重力加速度[m/s2]k:乱流エネルギ【m2/s2]P:圧力【pa]T:流体温度【℃】

Ui:時間平均流速【m/s]ui:暁闇流速[m/s]xi:座標位置[m]oi]:応力テンソ)I, [‑]e:粘性消散率【m2/s3]

FLl:渦粘性係数[pa･s]

これに対し(参多孔式の場合には,槽内壁に沿う流かは弱く循環淀もほとんど発生しておらず,槽内にほ号の意味は以下のとおりである｡〟

槽内に大きな循環流が発生していることがわかる｡

均一な下向流が形成されている.また槽内全体の誘速も改良前と比べて大きく低下している｡
ろ材流動有無の可能性は,ろ材表面流れのせん敵方向(半径方向)速度で評価できる｡第5図に,そ材表面におけるせん断方向速度の最大値を示す｡(亘改良前と比較して(参多孔式,③整流板式ではろ材表面速度が1/5程度に抑制されている｡
実機を用いた予備実験によると,①改良前モデノ1

でLV‑10m/hのときにはろ材泳動がおこらなか‑Iた｡この結果より,流入管改良案の解析結果が(丑ej
良前モデルでLV‑10mnlの解析結果よりもろ材蕃面速度が小さければろ材泳動がおこらないといえる.

③のすベての改良案では,ここで示した②,以上の方程式を汎用熟流体解析コードをもちいてLV‑10mPlよりも小さい億が得られており,こY連立させて解き,流速分布をもとめた｡解析は,槽内断面猛れ把握のための槽内解析と,流入管長手方向の噴出吐出量均等性把握のための均等分散解析の90滋‑180fj

2段階でおこなった｡

3.槽内解析
3.

/'oiTInlet

1槽内解析モデルwall

槽内解析モデル(改良前)を第2国に示す｡解析̲ノViscous

ymmetric

領域はろ週番断面の1/4,奥行き方向は噴孔間隔の2倍(p90×2=180mm)とした｡槽内壁は壁面粘性条件,中央断面は対称条件とし,奥行き両端面はすべり条件とした｡流入条件として原水涜入管噴孔

L･.1Anthracite.･に速度を与え,ろ材下側を自由流出条件とした｡
ろ材について,ろ過抵抗としてアンスラサイト,

I:I:

I:･:::;::r‑￣‑.‑I‑リー■‑I::;::;;:::･】;:号㌻F;;F!言･B言日言E:て打;請;R■I▼▼▼▼

Free

第2国
Fig･

42wil

Pr essure血op:･■

ろ砂それぞれのろ材抵抗と等しい圧力損失効果のあるパネルを設けた｡流入管モデルの概略図を第3図

Fi ∑ed panels

olltlet

槽内解析モデル2

神鋼パンテツク技報

Analysismodelof

insideofVol.

45tankNo.

2(20α2/2らの流入管改良案によりろ材流動,盛り上がり抑制等に吐出しているとし,長手方向に対して1列の噴が可能であると考えられる｡

孔のみ計算対象とした｡つまり,吐出量は全涜入量4.均等分散解析の1/11となる｡

4.

4. 21均等分散解析モデル

均等分散解析結果

前述の多孔式涜入管では,噴孔数が多く絶境孔面噴孔径を長手方向に変化させて最適な流入管形状積が大きくなるので吐出量の長手方向における均等を決定した｡解析結果のうち最も均等性が得られた性が失われる｡噴孔数は,周方向11穴で統一し,噴ものを第7図に示す｡図は長手断面の流速分布を示孔径を長手方向に段階的に変化させた｡均等分散解している｡またこのときの噴孔断面平均速度,噴孔析モデルを第6図に示す｡原水が涜入管周方向に均吐出流量を第8図に示す｡この流入管では,流入側①②③120o√=仁こヽR†7'

でしlノ:チllll:でし‑ク:下＼ノアlllll
lIlI

<‑十>

‑''‑TIT‑'￣￣lIllllIl∠′′､､:i)1+⊥〆t5ilPorousplPe

ConventionalpIPe

Orificediameter‑30mm

Conventionalpipeinbafne

AnalysISOfflowdistribution

Openarearatio

ininletpIPe(side)‑10‑20%0)ottom)‑1‑10%

LV‑30m/也

第3図Fig.

LV‑30m/h

LV‑30m/也

流入管モデル
3

ModelsofInletPIPE

Velocity

Velocity[m/s][m/s]
0.15

匡o'15

0.00
0.00

第4図(a)解析結果(①改良前モデル)
Fig.
4(a) Flowanalysis‑①conventionalpipe
Vol.

45

No.

2(2002/a)

第4図Fig.

4

神鋼パンテツク技報b)解析結果((参多孔モデル)b) Flow analysis‑ ②porous pipe
43

から管先側にいくにしたがって,噴孔径を4段階で孔式涜入管を採用した｡

小さくなるように変化させた｡第8図において漁連

現在,問題は解決されLV‑30mnlという高し1そを見ると,管先側にいくにつれて噴出速度が大きく過速度においても順調に稼動している｡またろ過岩なっており,淀速についての均等性はえられていなの差庄の上昇がゆるやかになり,それにともない,い｡一方流量を見ると,流入側端を除いてほぼ均等性がえられている｡均一な下向涜を形成し,ろ材盛逆洗間隔も長くなった｡

り上がりを抑制するには,流量の均等性がより重要と考えられるため,流量が最も均等であったこの形

29① conventional

145pipe

Il状を最適と判断した｡

llll

5.実機通水テスト結果②porous;20pipe11I￠3200mm横型ろ過券について,本報で示した211

つの原水流入管改良案を実機で通水テストをおこなっ@I
1LInbafne

I

Conventionalplpe(LV‑10m/h)

27+ /た｡その結果,多孔式ではろ材流動はほとんどなく,

Nonbuild‑up

ろ材面は平坦であった｡整流板式では,ろ材面はほ0ぼ平坦ではあったが,部分的な凹凸が見られた｡以上より,最もろ材流動の抑制効果が見られた多孔式を最終改良案とした｡

第5図
Fig.

なお本報では記述しなかったが,501()0】500‑4m/s]
velocity [Ⅹ1Maximum

ろ材表面速度最大値
5￠2400皿横型

Maximum

velocityof

f一ow

on

surfaceoffiltelmedia.

ろ過器についても本報と同様の解析をおこない,多Inlet

柑

第6図
Fig.

均等分散解析モデル
6Analysismodelofdispersibility

Velocity[m/s]

0.0

第7園
Fig.

44

1.2

長手方向流速分布
7Flow

distribt出oni皿aXial

direction

神鋼パンテツク技報

Vol.

45

No.

2

(BOOB/a30○

I.A(呈1･･Velocity＋Qtlantity0̀

(DO.0･25

むすび

圧力式砂ろ過器のろ材流動抑制を目的とし,流動育 解析をもちいて原水流入管形状の最適化をおこなっ)

OO

tf='E:

200'0.80

Lロ'己○≡

己OtbaC)

o.6

くとaC)

⊂)E=%
主､

C3o.4

105o.2'石>ーC)

̀,日日
コ○/0Direction of且ow

第8図Dispersibility

inaxialやして噴出速度を抑え,噴孔径を長手方向に変化させて流量の均等性をえた多孔式流入管をもちいることによってろ材流動,盛上がりが抑制された｡
圧力式ろ過券のろ材流動抑制技術を開発し,淀動ー

長芋方向均等分散性
8Fig.の槽内解析と原水流入管形状の最適化を目的とした均等分散解析をおこなった｡その結果,噴孔数を増t‡コ丘､UO

た.流動解析では,ろ過器内の揺れを把握するためdirection

解析を用いた圧力式ろ過器の設計手法を確立した｡

今回考案した多孔式流入管をもちいることによって,LV‑30mnlという高負荷における安定した処理が可能となった｡

連絡先
正木

洋

E‑mailvol.

45

No.

環境装置事業部
生産本部
設計部
官需第1グループ

一2

TEL

O78123218118

FAX

078‑232‑8508

y.masaki@p皿teC.CO.jp(BOOB/2)

神鋼パンテツク技報45