Predicting Performance and Efficiency of Semi

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Separation process of a methane/butane mixture by the use of a ... Pressure Outlet (Permeate). Semi-permeable membrane x. C4H10. ≈ 0.05 ... of Butane [g/h].
Predicting Performance and Efficiency of Semi‐Permeable  Membranes with Simulation Thomas Eppinger1, Verena Kramer2, Nico Jurtz1, David Lucht2, Ravindra  H. Aglave3, Matthias Kraume2 1

CD‐adapco, Nuremberg, Germany 2 Chair of Chemical and Process Engineering, Technische Universität Berlin, Berlin, Germany 3 CD‐adapco, Melville, NY

Outline 1. Motivation 2. Gas Separation Membrane 1. 2. 3. 4.

Numerical Set‐Up Modeling of membrane diffusion process Validation Results

3. Reverse Osmosis Desalination Membrane 1. 2. 3. 4.

Numerical Set‐Up Modeling of membrane diffusion process Validation Results

4. Conclusion

Motivation / Application • Membrane processes are widely used in the industry • Lower investments compared to other classical methods • Computational Fluid Dynamics (CFD) may help to optimize  the design Example 1: Separation process of a methane/butane mixture by the  use of a mixed‐matrix membrane Example 2: Desalination process by the use of a reverse osmosis  membrane

Simulation of a gas separation  membrane using STAR‐CCM+

Geometry and Boundary Conditions Pressure Outlet (Retentate) Velocity Inlet (Feed): xC4H10  0.05 xCH4  0.95

Semi-permeable membrane Pressure Outlet (Permeate)

Meshing • Trimmed Mesh • 280 000 Volume Cells • Prism Layer : • Thickness: 0.2mm • 3 Prism layers • Prism Layer Refinement at  Membrane: • Thickness: 0.3mm • 10 Prism layers at the  membrane surface to capture  the concentration layer

Models used • • • • •

Multi‐component gas Multi‐component diffusion vs. Sc=1 Real Gas (Redlich‐Kwong) Coupled Solver k‐‐SST Turbulence Model Diffusion process through membrane is  implemented via an interpolate table field  function approach.

Modelling the membrane diffusion process Li – Permeance of species i [kg/(m^2 s Pa)] fi – Fugacity of species i [Pa] P – Absolute Pressure [Pa] xi – Mole fraction of species i [‐] i – Fugacity coefficient of species i [‐]

· Δf ·

·

Calculation of fugacity coefficient1: 2·

·



·

2 2

1

1Bal

1

1

2 3

K. Kaul, John M. Prausnitz,1977, Second Virial Coecients of Gas Mixtures Containing Simple Fluids and Heavy Hydrocarbons. Industrial and engineering chemistry, Fundam., Vol 16, No. 3 pp. 335-340

Mole Fraction Butane @ Permeate Outlet [‐]

Validation against experimental results 0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

10bar Experimental

20bar CFD (Sc=1)

30bar CFD (Chapman‐Enskog)

40bar

Results: Species Flow through Membrane 80

Species Flow of Butane  [g/h]

70 60 50 40 30 20 10 0

10bar

20bar Sc=1

30bar Chapman‐Enskog

40bar

Results: Species Flux (Chapman‐Enskog) 6.0 5.5

Area  of Membrane [%]

5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

0.0045

0.0050

Species Flux of Butane through Membrane [kg/m2s] 40bar

30bar

20bar

10bar

0.0055

0.0060

Results: Flow Field (10bar)

Results: Concentration of Butane

10 bar

20 bar

30 bar

40 bar

Simulation of desalination in a  membrane reverse osmosis reactor  using STAR‐CCM+

Modelling the membrane diffusion process

Δ

· ∆ ·



·

Ki – Permeation coefficient [m/(s Pa)] i – Osmotic pressure of species i [Pa] P – Absolute Pressure [Pa] xi – Mole fraction of species i [‐] T – Temperature [K] ‐ Specific Volume [m3/mol] ρi – Density [kg/m3] R – Universal Gas Constant [J/mol K]

Velocity Inlet:

Pressure Outlet

u0=0.2m/s cNaCl=2g/l

Feed Side

Permeate Side Membrane

Baffle

Meshing and Models used • • • • • • •

Steady Simulation Multi‐component fluid Density = f(xNaCl) Viscosity = f(xNaCl) Diffusion Coefficient = f(xNaCl) Coupled Solver Laminar Flow

Structured Mesh 544 000 cells

Diffusion process through membrane is  implemented via an interpolate table field  function approach.

Validation against experimental results2,3 33.6

35

Species Flux H2O [l/m2hr]

31.4 30

29.4 27.4

32.8

30.6

28.5

26.0

25 20 15 10 5 0 898.7kPa

998.7kPa

1098.7kPa

ΔP CFD 2A.

Experimental Data

Alexiadis, D.E. Wiley, A. Vishnoi, R.H.K. Lee, D.F. Fletcher, J. Bao. CFD modelling of reverse osmosis membrane flow and validation with experimental results. Desalination 217. 242-250. (2007) 3D.F. Fletcher, D.E. Wiley. A computational fluid dynamics study of buoyancy effects in reverse osmosis. Journal of Membrane Science 245. 175-181. (2004)

1198.7kPa

Results: Concentration of NaCl on membrane surface

Increasing Pressure

Conclusion • Successfully validated the approach • Showed an efficient way to simulate membrane processes • The approach is universal:  Almost any flux model can be implemented • Deeper insight into the system • An efficient tool to improve the design

Thanks for your attention!

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