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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
¿Para qué se utilizan?
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
¿Para qué se utilizan?
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
¿Para qué se utilizan?
1. Aerodinámica:
• Estudios de arrastre y empuje
• Estudios de refrigeración
2. Hidráulica
• Optimización de bombas y eyectores
• Optimización de tanques mezcladores
3. Tratamiento de aguas:
• Aireación en reactores biológicos
• Eficiencia decantadores
Pablo Carratalá
Introducción
91 2 3 4
¿Para qué se utilizan?
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
• Zonas muertas en digestores
Rosario Arnau
Javier Climent
Introducción
101 2 3 4
¿Para qué se utilizan?
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
¿Para qué se utilizan?
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
¿Para qué se utilizan?
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
Estado de desarrollo
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
Estado de desarrollo
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
2. Modelado CFD de flujos multifásicos
3. Modelo local de fouling
4. Ejemplos de actuación
1
2
3
4
Modelado CFD de flujos mutifásicos
171 2 3 4
• Medio poroso
• Líquido
¿Qué necesitamos simular?
Modelado CFD de flujos mutifásicos
181 2 3 4
• Medio poroso
• Líquido
• Burbujas
¿Qué necesitamos simular?
Modelado CFD de flujos mutifásicos
191 2 3 4
• Medio poroso
• Líquido
• Burbujas
• Sólidos pequeños
¿Qué necesitamos simular?
Modelado CFD de flujos mutifásicos
201 2 3 4
• Medio poroso
• Líquido
• Burbujas
• Sólidos pequeños
• Sólidos grandes
• Película
¿Qué necesitamos simular?
Modelado CFD de flujos mutifásicos
211 2 3 4
¿Cómo modelamos las membranas?
Medio poroso:• Rugosidad• Tamaño de poro• Permeabilidad• Coeficiente pérdidas
Superficie:• Rugosidad• Flujo de permeado
Modelado CFD de flujos mutifásicos
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
Modelado CFD de flujos mutifásicos
231 2 3 4
¿Cómo modelamos las burbujas?
• Ecuación consevación de la masa
• Ecuaciones de conservación de momento
• Ecuación de conservación de la energía
• Ecuaciones de turbulencia: fase dispersa
• Fuerzas interfaciales (1)
• Balance de población (2)
• Velocidad
• Presión
• Temperatura
• Concentración
• Tamaños
Modelado CFD de flujos mutifásicos
241 2 3 4
¿Cómo modelamos las burbujas?
• Fuerzas interfaciales:
– Drag: Ishii-Zuber
– Fuerza de pared: UJI
– Lift: UJI
– Dispersión turbulenta: Favre
Modelado CFD de flujos mutifásicos
251 2 3 4
¿Cómo modelamos las burbujas?
• Balance de población:
– Homogeneous MUSIG
Modelado CFD de flujos mutifásicos
261 2 3 4
¿Cómo modelamos las burbujas?
• Balance de población:
– Homogeneous MUSIG
– Tasas de coalescencia y rotura
Coalescencia (UJI) Rotura (Luo and Svendsen)
Modelado CFD de flujos mutifásicos
271 2 3 4
¿Cómo modelamos los sólidos suspendidos?
• Ecuación consevación de la masa
• Ecuaciones de conservación de momento
• Ecuación de conservación de la energía
• Ecuaciones de turbulencia: fase dispersa
• Fuerzas interfaciales (1)
• Balance de población (2)
• Velocidad
• Presión
• Temperatura
• Concentración
• Tamaños
Modelado CFD de flujos mutifásicos
281 2 3 4
¿Cómo modelamos los sólidos suspendidos?
• Interfacial forces:
– Drag: Schiller-Neumann
– Fuerza de pared: No
– Lift: UJI
– Dispersión turbulenta: Favre
Modelado CFD de flujos mutifásicos
291 2 3 4
¿Cómo modelamos los sólidos suspendidos?
• Balance de población:
– Inhomogeneous MUSIG
– Tasas de coalescencia y rotura
Poros Pared
Modelado CFD de flujos mutifásicos
301 2 3 4
1. Introducción
2. Modelado CFD de flujos multifásicos
3. Modelo local de fouling
4. Ejemplos de actuación
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
Modelo local de fouling
321 2 3 4
¿Cómo modelizamos la película sobre las membranas?
𝑑𝑀𝑐
𝑑𝑡=
24𝐶𝐽2
24𝐽 + 𝐾𝑙𝐺−
𝛽 1 − 𝛼 𝐺𝑀𝑐2
𝛾𝑉𝑓𝜃𝑓 +𝑀𝑐
Attachment
𝐺 = 𝑆ℎ𝑒𝑎𝑟 𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑠−1
𝐽 = Flujo de permeado𝐿
𝑚2ℎ
𝐶 = Concentración de sólidoskg
𝑚3
Modelo local de fouling
331 2 3 4
¿Cómo modelizamos la película sobre las membranas?
𝑑𝑀𝑐
𝑑𝑡=
24𝐶𝐽2
24𝐽 + 𝐾𝑙𝐺−
𝛽 1 − 𝛼 𝐺𝑀𝑐2
𝛾𝑉𝑓𝜃𝑓 +𝑀𝑐
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
Ejemplos de actuación
351 2 3 4
Análisis del flujo a través de membranas y optimización
Optimización del espaciado entre canales para homogeneizar el flujo de permeado
Ejemplos de actuación
361 2 3 4
Análisis del flujo a través de membranas y optimización
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)
Ejemplos de actuación
371 2 3 4
Limpiado de membranas mediante burbujeo
Optimización del burbujeo para la limpieza
Ejemplos de actuación
381 2 3 4
Limpiado de membranas mediante burbujeo
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%
Ejemplos de actuación
391 2 3 4
Limpiado de membranas mediante burbujeo
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
)
Concentración de gas
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
)
Concentración de gas
Grandes
Pequeñas
Propuesta: combinar burbujas pequeñas y grandes 3%
Ejemplos de actuación
401 2 3 4
Limpiadores mecánicos
Ejemplos de actuación
411 2 3 4
Limpiadores mecánicos
Ejemplos de actuación
421 2 3 4
Limpiadores mecánicos
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!