Further Development of a Centrifugal Solids Separator Prototype

Abstract

This thesis was made for SansOx Ltd, part of the Finnish Cleantech cluster of companies, whose innovative ideas in the water treatment area have been awarded the WssTP Water Innovation SME Award for two consecutive years. The purpose of the thesis was to make a deeper theoretical research of the physical aspects related to solids separation in one of SansOx’s innovations, a centrifugal solids separation device. Based on this research, it was aimed to make a review of the previous tests of the pilot-scale prototypes of the device as well as to develop a plan that would be the base for testing a prototype in a laboratory-scale.

The theory of solids separation in the device is strongly linked to hydraulics and particle settling, so the theoretical research was divided into three main subjects: physics and hydraulics, particle separation, and solid separation methods. Some basic principles of physics, such as vectors and forces, are the base for explaining the hydraulics related to fluid flow through pipes as well as for explaining the basic theory of particle settling. Solids separation methods were studied for a comparison between the commonly used methods in water treatment and SansOx’s device. With the information of the theoretical research, a review of the conditions of the previous tests of the prototype could be made, as well as finding a cause for the results obtained in the tests. Lastly, the same calculations were used to develop the sizing and testing plan of a laboratory-scale prototype.

The results of the calculations showed that the main challenge in the previous testing of the prototypes was to achieve a discharge that would be high enough for separation. The parameters and calculations related to the solids separation were gathered into one single Excel workbook that would serve as a tool for designing a prototype depending on the characteristics of the solution to be treated. Finally, with this tool, a plan for the laboratory-scale prototype was developed.

Opinnäytetyön tilaajana oli SansOx Oy, joka on yksi Suomen Cleantech -yrityksistä ja jonka innovatiiviset ideat on palkittu WssTP Water Innovation SME Award -palkinnolla kahtena peräkkäisenä vuonna. Opinnäytetyön tavoitteena oli tehdä teoriatarkastelu fysikaalisista ilmiöistä, jotka liittyvät SansOx:n kehittämään innovatiiviseen kiintoaineenerotusmenetelmään. Tarkasteltava menetelmä perustuu keskipakovoiman hyödyntämiseen, kun erotetaan kiintoainetta nestefaasista. Tehdyn teoriatarkastelun perusteella on mahdollista arvioida aikaisempien laitteistoprototyyppien toimintaa ja testauksen tuloksia. Teoriatarkastelu luo samalla perustan laitteiston laboratoriomittakaavaan kehitettävän version suunnittelutyöhön ja testaukseen.

Kiintoaineenerotuksen teoria liittyy vahvasti hydrauliikkaan ja partikkelin laskeutukseen, joten teoriatarkastelu oli jaettu kolmeen pääaiheeseen: fysiikka ja hydrauliikka, partikkelin erotus sekä kiintoaineenerotusmenetelmät. Fysiikan peruskäsitteet, kuten vektorit ja voimat, täydentävät putkessa virtaavan nesteiden hydrauliikan sekä partikkelin laskeutuksen teoriaa. Muita kiintoaineenerotusmenetelmiä tarkasteltiin, jotta kehitettyä laitteistoa voitiin verrata yleisesti vesien käsittelyssä käytettyihin menetelmiin. Teoriatarkastelun tietojen perusteella, voitiin arvioida aikaisempien prototyyppien toimintaedellytyksiä ja kyettiin löytämään selittäviä tekijöitä kenttäkokeissa saatuihin tuloksiin. Lopuksi, samoja laskelmia käyttäen pystyttiin kehittämään laitteiston seuraavan laboratoriomittakaavan prototyypin konstruktio ja testaussuunnitelma.

Laskelmien tulokset osoittivat, että laitteiston aikaisempien prototyyppien kenttäkokeiden keskeisenä haasteena oli riittävän suuren virtaaman aikaansaaminen laitteistoon. Kiintoaineenerotukseen liittyvät laskelmat ja niiden parametrit koottiin Excel-työkirjaan, joka voidaan hyödyntää jatkossa suunniteltaessa uusia laitteita erilaisiin kohteisiin. Lopuksi, saman Excel-työkirjan avulla laadittiin suunnitelma laitteiston laboratoriomittakaavan prototyypin konstruktioksi.