تحلیل هیدرودینامیک و انتقال جرم در کانال تغذیه پرشده با جداکننده ماژول اسمزمعکوس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 علم و صنعت

چکیده

جداکننده‌های کانال تغذیه باعث افزایش انتقال جرم و در نتیجه افزایش شار نفوذ حلال از دیواره غشا می‌گردند؛ اما از سوی مقابل باعث افزایش افت فشار در سیستم می‌شود. در این مطالعه هیدرودینامیک و انتقال جرم در یک کانال تغذیه پرشده با جداکننده در ماژول اسمزمعکوس بررسی شده است. به این منظور از شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی همراه با روش سطح پاسخ استفاده شده است. پارامترهای ورودی شامل متوسط سرعت ورودی جریان، زاویه حمله و زاویه بین‌رشته‌ای و پارامترهای خروجی شامل افت فشار در طول کانال و شار نفوذ آب از دیواره غشا می‌باشد. از فرآیند طراحی آزمایش‌ها و روش طراحی مکعب چندبعدی لاتین برای نمونه‌برداری و از مدل کریگینگ برای فرآیند پاسخ سطحی استفاده گردید. همچنین از الگوریتم ژنتیک و روش غربالگری برای پیدا کردن نقاط بهینه استفاده شد. نتایج آنالیز حساسیت پارامترهای ورودی بر روی افت فشار و شار نفوذ آب نشان می‌دهد که سرعت ورودی تاثیرگذارترین پارامتر و زاویه حمله کمترین میزان تأثیرگذاری را دارا می‌باشد. هندسه بهینه با در نظر گرفتن مقادیر هر دو پارامتر خروجی (ساختار هندسی که منتج به کمترین میزان افت فشار و بیشترین مقدار شار نفوذ می‌گردد) به‌صورت زاویه حمله 74/72 درجه، زاویه بین‌رشته‌ای 19/85 درجه و متوسط سرعت ورودی 13/0 می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigate of Hydrodynamic and Mass Transfer in the Spacer-Filled Channel of Reverse Osmosis Module

نویسندگان [English]

  • Nematollah Mansouri 1
  • Mahdi Moghimi 2
1 School of mechanical engineering, Iran University of science and technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

The feed channel spacers cause the membrane plates to be separated. These mesh spacers increase the pressure drop in the channel and, in contrast, improve the mass transfer process. In this study, investigate hydrodynamics and mass transfer in the spacer-filled channel in the reverse osmosis module by using the simulation of computational fluid dynamics coupled with the response surface method. Input parameters include the average inlet velocity, the attack angle, the mesh angle, and the output parameters include the pressure drop over the computational domain and the water flux across the membrane walls. The Latin hypercube sampling design method was used to sample the input parameters and the Kriging model has been used for the response surface model. Also, genetic algorithms and screening were used to determine the optimal output parameters. The sensitivity analysis of the input parameters on the output parameters indicates that the average inlet velocity and the attack angle are the most and the least influential parameters, respectively. The optimum configuration geometry taking the values of both output parameters (pressure drop and water flux) into account was stood up at the attack angle of 72.74 degrees, the mesh angle of 85.19 degrees, and the inlet velocity of 0.13 m/s.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Reverse osmosis
  • Feed spacers
  • Optimization
  • Hydrodynamics
  • Mass transfer

مراجع

[1] J. Schwinge, D. Wiley, D. Fletcher, A CFD study of unsteady flow in narrow spacer-filled channels for spiral-wound membrane modules, Journal of Desalination, 146(1-3) (2002) 195-201.
[2] S. Wardeh, H. Morvan, CFD simulations of flow and concentration polarization in spacer-filled channels for application to water desalination, Journal of Chemical Engineering Research and Design 86(10) (2008) 1107-1116.
[3] L. Song, S. Ma, Numerical studies of the impact of spacer geometry on concentration polarization in spiral wound membrane modules, Journal of Industrial engineering chemistry research, 44(20) (2005) 7638-7645.
[4] V. Geraldes, V. Semião, M.N. Pinho, Hydrodynamics and concentration polarization in NF/RO spiral-wound modules with ladder-type spacers, Journal of Desalination, 157(1-3) (2003) 395-402.
[5] M. Amokrane, D. Sadaoui, C. Koutsou, A. Karabelas, M. Dudeck, A study of flow field and concentration polarization evolution in membrane channels with two-dimensional spacers during water desalination, Journal of Membrane Science, 477 (2015) 139-150.
[6] S.K. Karode, A. Kumar, Flow visualization through spacer filled channels by computational fluid dynamics I.: Pressure drop and shear rate calculations for flat sheet geometry, Journal of Membrane science, 193(1) (2001) 69-84.
[7] Y.-L. Li, K.-L. Tung, CFD simulation of fluid flow through spacer-filled membrane module: selecting suitable cell types for periodic boundary conditions, Journal of Desalination, 233(1-3) (2008) 351-358.
[8] M. Shakaib, S. Hasani, M. Mahmood, Study on the effects of spacer geometry in membrane feed channels using three-dimensional computational flow modeling, Journal of Membrane Science, 297(1-2) (2007) 74-89.
[9] F. Li, W. Meindersma, A. De Haan, T. Reith, Optimization of commercial net spacers in spiral wound membrane modules, Journal of Membrane Science, 208(1-2) (2002) 289-302.
[10] Y.-L. Li, K.-L. Tung, M.-Y. Lu, S.-H. Huang, Mitigating the curvature effect of the spacer-filled channel in a spiral-wound membrane module, Journal of Membrane Science, 329(1-2) (2009) 106-118.
[11] C.P. Koutsou, A.J. Karabelas, A novel retentate spacer geometry for improved spiral wound membrane (SWM) module performance, Journal of Membrane Science, 488 (2015) 129-142.
[12] G. Srivathsan, Modeling of fluid flow in spiral wound reverse osmosis membranes, (2013).
[13] A.E. Anqi, N. Alkhamis, A. Oztekin, Computational study of desalination by reverse osmosis—Three-dimensional analyses, Journal of Desalination, 388 (2016) 38-49.
[14] B. Gu, C.S. Adjiman, X.Y. Xu, The effect of feed spacer geometry on membrane performance and concentration polarisation based on 3D CFD simulations, Journal of Membrane Science, 527 (2017) 78-91.
[15] M. Li, T. Bui, S. Chao, Three-dimensional CFD analysis of hydrodynamics and concentration polarization in an industrial RO feed channel, Journal of Desalination, 397 (2016) 194-204.
[16] S.S. Bucs, A.I. Radu, V. Lavric, J.S. Vrouwenvelder, C. Picioreanu, Effect of different commercial feed spacers on biofouling of reverse osmosis membrane systems: a numerical study, J Desalination, 343 (2014) 26-37.
[17] N.V. Queipo, R.T. Haftka, W. Shyy, T. Goel, R. Vaidyanathan, P.K. Tucker, Surrogate-based analysis and optimization, Journal of Progress in aerospace sciences, 41(1) (2005) 1-28.
[18] S. Razavi, B.A. Tolson, D.H. Burn, Review of surrogate modeling in water resources, Journal of Water Resources Research, 48(7) (2012).
[19] G.E. Box, J.S. Hunter, Multi-factor experimental designs for exploring response surfaces, Journal of The Annals of Mathematical Statistics, 28(1) (1957) 195-241.
[20] S.A.I. Bellary, A. Husain, A. Samad, Effectiveness of meta-models for multi-objective optimization of centrifugal impeller, Journal of mechanical science technology, 28(12) (2014) 4947-4957.
[21] P. Sofotasiou, J.K. Calautit, B.R. Hughes, D. O'Connor, Towards an integrated computational method to determine internal spaces for optimum environmental conditions, Journal of Computers and Fluids, 127 (2016) 146-160.
[22] D.W. Solutions, FILMTEC™ Reverse Osmosis Membranes, Journal of Technical Manual, Form, (609-00071) (2010) 1-180.
[23] G. Schock, A. Miquel, Mass transfer and pressure loss in spiral wound modules, Journal of Desalination, 64 (1987) 339-352.
[24] A. Saeed, Effect of feed channel spacer geometry on hydrodynamics and mass transport in membrane modules, Curtin University, 2012.
[25] M. Li, Optimal plant operation of brackish water reverse osmosis (BWRO) desalination, Journal of Desalination, 293 (2012) 61-68.
[26] J. Vrouwenvelder, C. Hinrichs, W. Van der Meer, M. Van Loosdrecht, J. Kruithof, Pressure drop increase by biofilm accumulation in spiral wound RO and NF membrane systems: role of substrate concentration, flow velocity, substrate load and flow direction, Journal of Biofouling, 25(6) (2009) 543-555.
[27] X. Yang, Nature-Inspired Optimization Algorithms, Elsevier, (2014), 77-87.
[28] O. Kuroda, S. Takahashi, M. Nomura, Characteristics of flow and mass transfer rate in an electrodialyzer compartment including spacer, Journal of Desalination, 46(1-3) (1983) 225-232.
[29] G. Van den Berg, I. Racz, C. Smolders, Mass transfer coefficients in cross-flow ultrafiltration, Journal of Membrane Science, 47(1-2) (1989) 25-51.
 
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 1 (Special Issue)
فروردین 1400
صفحه 393-410

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار