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Simulación de ensuciamiento y limpieza de membranas mediante códigos CFD

Rosario Arnau, José Javier Conesa, Sergio Chiva

Raúl Martínez-Cuenca

Multiphase Flow Research Group

¿Quienes somos?

4 Profesores Titulares

1 técnico de laboratorio

3 becarios postdoctorales

8 estudiantes de doctorado

3 estudiantes

Apoyo financiero

+ 300.000 € en convocatorias competitivas y contratos privados de investigación con empresas

Líneas de investigación:

• Caracterización experimental de fluidos multifásicos.

• Desarrollo de instrumentación para la caracterización defluidos multifásicos (sondas impedancia , técnicas láser,técnicas por procesado de imagen).

• Desarrollo de modelos matemáticos para la simulaciónde fluidos multifásicos. Modelado mediante técnicas CFD

• Nanofluidos: Estudios experimentales y desarrollo demodelos.

• Estudios hidráulicos orientados a la cooperación aldesarrollo y responsabilidad social.

Índice

3

1. Introducción

2. Modelado CFD de flujos multifásicos

3. Modelo local de fouling

4. Ejemplos de actuación

1

2

3

4

Introducción

41 2 3 4

¿Qué son los CFD?

1. Códigos que permiten resolver numéricamente las ecuaciones que describen el comportamiento de los fluidos.

𝜕𝑓

𝜕𝑥= lim

∆𝑥→0

𝑓 𝑥 + ∆𝑥 − 𝑓 𝑥

∆𝑥ቤ

𝜕𝑓

𝜕𝑥𝑥1

≈𝑓 𝑥1 − 𝑓 𝑥0

𝑥1 − 𝑥0discretizaciónlinearización

Introducción

51 2 3 4

¿Para qué se utilizan?

Prototipos físicos

Prototipo 1

Medidas 1

Prototipo 2

Medidas 2

Producto Final

n…

Introducción

61 2 3 4


Prototipos físicos Prototipos virtuales

Prototipo 1

Medidas 1

Prototipo 2

Medidas 2

Producto Final

n…

Prototipo

Medidas

Diseño 1

Simulación 1

Diseño Final

n…

Simulación 0

Diseño 2

Introducción

71 2 3 4


1. Aerodinámica:

• Estudios de arrastre y empuje

• Estudios de refrigeración

2. Hidráulica

• Optimización de bombas

• Optimización de eyectores

3. Tratamiento de aguas:

• Aireación en reactores biológicos

• Eficiencia decantadores

Joan Albert Marí

Introducción

81 2 3 4


1. Aerodinámica:



2. Hidráulica

• Optimización de bombas y eyectores

• Optimización de tanques mezcladores



• Eficiencia decantadores

Pablo Carratalá

Introducción

91 2 3 4


1. Aerodinámica:



2. Hidráulica

• Optimización de bombas

• Optimización de eyectores



• Zonas muertas en digestores

Rosario Arnau

Javier Climent

Introducción

101 2 3 4


4. Transferencia de CO2 al agua para prevención del macrofouling:

• Diseño y posicionamiento de los difusores

• Mejora de la eficiencia energética en un 15%

Aina Macías

Introducción

111 2 3 4


4. Transferencia de CO2 al agua para prevención del macrofouling:

• Diseño y posicionamiento de los difusores

• Mejora de la eficiencia energética en un 15%

Aina Macías

Introducción

121 2 3 4


5. Diseño de clarificadores:

• Control del flujo en el interior para mejorar homogeneización del manto

Jose Vilarroig

Javier Climent

Introducción

131 2 3 4

Estado de desarrollo

0

2

4

6

8

10

12

14

16

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Public

acio

nes

Año

CFD + MR

Publicaciones sobre CFD y reactores de membrana (MR)

Introducción

141 2 3 4


0

5

10

15

20

200

32

00

42

00

52

00

6

200

7

200

8

200

9

201

0

201

1

201

2

201

3

201

4

201

5

201

6

201

7

Public

acio

nes

Año

CFD + MR

0

100

200

300

400

500

600

Public

acio

nes

Año

MR

Publicaciones sobre reactores de membrana

Introducción

151 2 3 4


0

5

10

15

20

200

32

00

42

00

52

00

6

200

7

200

8

200

9

201

0

201

1

201

2

201

3

201

4

201

5

201

6

201

7

Public

acio

nes

Año

CFD + MR

0

100

200

300

400

500

600

Public

acio

nes

Año

MR

05

101520

25

30

35

Public

acio

nes

Año

MR

Publicaciones sobre reactores de membrana

Introducción

161 2 3 4

1. Introducción




1

2

3

4

Modelado CFD de flujos mutifásicos

171 2 3 4

• Medio poroso

• Líquido

¿Qué necesitamos simular?


181 2 3 4

• Medio poroso

• Líquido

• Burbujas



191 2 3 4

• Medio poroso

• Líquido

• Burbujas

• Sólidos pequeños



201 2 3 4

• Medio poroso

• Líquido

• Burbujas

• Sólidos pequeños

• Sólidos grandes

• Película



211 2 3 4

¿Cómo modelamos las membranas?

Medio poroso:• Rugosidad• Tamaño de poro• Permeabilidad• Coeficiente pérdidas

Superficie:• Rugosidad• Flujo de permeado


221 2 3 4

¿Cómo modelamos el fluido base?

• Ecuación consevación de la masa

• Ecuaciones de conservación de momento

• Ecuación de conservación de la energía

• Ecuaciones de turbulencia: SST transicional

• Reología: Ostwald de Waele

𝜇 𝐶 = 𝐾 𝐶 ∙ 𝛾 𝑛 𝐶 −1

Concentración de sólidos

• Velocidad

• Presión

• Temperatura

• Turbulencia

• Shear stress


231 2 3 4

¿Cómo modelamos las burbujas?




• Ecuaciones de turbulencia: fase dispersa

• Fuerzas interfaciales (1)

• Balance de población (2)

• Velocidad

• Presión

• Temperatura

• Concentración

• Tamaños


241 2 3 4


• Fuerzas interfaciales:

– Drag: Ishii-Zuber

– Fuerza de pared: UJI

– Lift: UJI

– Dispersión turbulenta: Favre


251 2 3 4


• Balance de población:

– Homogeneous MUSIG


261 2 3 4



– Homogeneous MUSIG

– Tasas de coalescencia y rotura

Coalescencia (UJI) Rotura (Luo and Svendsen)


271 2 3 4

¿Cómo modelamos los sólidos suspendidos?




• Ecuaciones de turbulencia: fase dispersa

• Fuerzas interfaciales (1)

• Balance de población (2)

• Velocidad

• Presión

• Temperatura

• Concentración

• Tamaños


281 2 3 4


• Interfacial forces:

– Drag: Schiller-Neumann

– Fuerza de pared: No

– Lift: UJI

– Dispersión turbulenta: Favre


291 2 3 4



– Inhomogeneous MUSIG

– Tasas de coalescencia y rotura

Poros Pared


301 2 3 4

1. Introducción




1

2

3

4

Modelo local de fouling

311 2 3 4

¿Cómo modelizamos la película sobre las membranas?

𝑑𝑀𝑐

𝑑𝑡=

24𝐶𝐽2

24𝐽 + 𝐾𝑙𝐺−

𝛽 1 − 𝛼 𝐺𝑀𝑐2

𝛾𝑉𝑓𝜃𝑓 +𝑀𝑐

Attachment Detachment

𝑀𝑐 = Concentración superficial de sólidoskg

𝑚2

Superficie:• Rugosidad• Flujo de permeado• Resistencia al flujo:

𝑅𝑠𝑐 = 𝑟𝑐𝑀𝑐

𝑅 = 𝑅𝑚 + 𝑅𝑝 + 𝑅𝑠𝑐


321 2 3 4


𝑑𝑀𝑐

𝑑𝑡=

24𝐶𝐽2




Attachment

𝐺 = 𝑆ℎ𝑒𝑎𝑟 𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑠−1

𝐽 = Flujo de permeado𝐿

𝑚2ℎ

𝐶 = Concentración de sólidoskg

𝑚3


331 2 3 4


𝑑𝑀𝑐

𝑑𝑡=

24𝐶𝐽2




Detachment

𝐺 = 𝑆ℎ𝑒𝑎𝑟 𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑠−1

𝛽 = Tasa de erosión de la capa −𝛼 = Pegajosidad de la capa −

𝛾 = Coeficiente de compresión𝑘𝑔

𝑚3𝑠

𝑉𝑓 = Volumen filtrado 𝑚3

𝜃𝑓 = Tiempo de filtrado 𝑚𝑖𝑛

Propiedades de la película

Propiedades del proceso de filtrado

Ejemplos de actuación

341 2 3 4

Análisis del flujo a través de membranas y optimización

Limpiado de membranas mediante burbujeo

Limpiadores mecánicos

Teoría


351 2 3 4


Optimización del espaciado entre canales para homogeneizar el flujo de permeado


361 2 3 4


Evaluación del flujo de permeado tras 15 minutos de filtrado

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Flu

jo d

e P

erm

ea

do

(L m

-2 h

-1)

Presión de impulsión (kPa)


371 2 3 4


Optimización del burbujeo para la limpieza


381 2 3 4


Optimización del burbujeo para la limpieza: influencia del gas sobre la distribución de sólidos

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

-4 -2 0 2 4

Fra

cció

n d

e h

uecos

Posición lateral (mm)

Sólidos

Gas

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

-4 -2 0 2 4

Fra

cció

n d

e h

uecos

Posición lateral (mm)

Sólidos

Gas

¿% gas?

1%

5%

2.5%

5%


391 2 3 4


28,0

28,2

28,4

28,6

28,8

29,0

29,2

29,4

29,6

29,8

30,0

0 0,05 0,1 0,15Pe

rme

ad

o(L

m-2

h-1

)

Concentración de gas

Grandes

Pequeñas

28,0

28,2

28,4

28,6

28,8

29,0

29,2

29,4

29,6

29,8

30,0

0 0,05 0,1 0,15Pe

rme

ad

o(L

m-2

h-1

)


Grandes

Pequeñas

28,028,228,428,628,829,029,229,429,629,830,0

0 0,05 0,1 0,15Pe

rme

ad

o(L

m-2

h-1

)


Grandes

Pequeñas

Propuesta: combinar burbujas pequeñas y grandes 3%


401 2 3 4



411 2 3 4



421 2 3 4


0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Concentr

ació

n s

uperf

icia

l (m

g/m

m2)

Posición Vertical (mm)

Conclusiones

43

• Modelos no newtonianos

• Modelos de balance de población homogéneos para las burbujas

• Modelos de balance de población inhomogéneos para los sólidos

Los modelos CFD se están empezando a implementar para el estudio de reactores de membrana

• Diseño de canales en nuevas geometrías de membrana

• Estrategias de burbujeo óptimas

• Diseño de sistemas de limpieza mecánicos

Se pueden utilizar para optimizar tanto las propias membranas como el funcionamiento de los reactores

¡Muchas gracias por su atención!

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