Υπολογισμός Συντελεστών Μεταφοράς Μάζας κατά την Ρύπανση Μεμβρανών Αντίστροφης Ωσμωσης:
Creators: name: Πεύκος, Τηλέμαχος Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Αντίστροφη ώσμωση
Ρύπανση μεμβρανών
Μεταφορά μάζας
Reverse Osmosis
Scaling
Mass transport

description: Στα πλαίσια της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής έγινε προσομοίωση των φαινομένων μεταφοράς σε επίπεδο μοναδιαίας κυψελίδας για τον υπολογισμό των συντελεστών μεταφοράς μάζας κατά την ρύπανση των μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης Πραγματοποιήθηκε μια σύντομη εισαγωγή στο πρόβλημα της επάρκειας νερού στον πλανήτη και στις μεμβράνες ως διεργασία που μπορεί να διαδραματίσει έναν πρωτεύοντα ρόλο στην αντιμετώπιση της λειψυδρίας. Παρουσιάστηκε στην συνέχεια το πρόβλημα ανάπτυξης στερεάς φάσης, δηλαδή της ανάπτυξης στερεών αλάτων πάνω στην μεμβράνη (scaling) και έγινε η διατύπωση του από φυσική και μαθηματική άποψη. Προσδιορίστηκε η δυσκολία του προβλήματος λόγω πολλαπλών χωρικών και χρονικών κλιμάκων και έγινε ανάλυση των κλιμάκων με βάση τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα σε καθεμία από αυτές. Παρουσιάστηκε η μαθηματική σύνδεση του μακροσκοπικού με το μικροσκοπικό πρόβλημα μέσω των συντελεστών μεταφοράς μάζας. Στόχος της παρούσας εργασίας αποτέλεσε ο υπολογισμός των συντελεστών μεταφοράς μάζας από το υγρό στο αναπτυσσόμενο σωματίδιο επικάθησης. Οι συντελεστές μεταφοράς εμφανίζονται στους αριθμούς Damkohler και Sherwood. Αρχικά δημιουργήθηκε το τρισδιάστατο μοντέλο της μοναδιαίας κυψελίδας για έλεγχο συμμετρίας στο προφίλ της ταχύτητας και της συγκέντρωσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει αξονική συμμετρία. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις των φαινομένων μεταφοράς στο υπολογιστικό πακέτο MultiphysicsComsol, στην περιοχή καλύψεων της επιφάνειας της μεμβράνης από 1% έως 10% και γωνίες επαφής σωματιδίου-μεμβράνης 30ο, 90ο και 180ο. Οι επιλεγόμενες τιμές κάλυψης επιφάνειας της μεμβράνης αποτελούν ρεαλιστικές τιμές κατά την λειτουργία των μεμβρανών. Τα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι η συγκέντρωση του άλατος στο υγρό δεν επηρεάζει τον αριθμό Damkohler. Ο αριθμός Damkohler παρουσιάζει ποιοτικά την ίδια τάση για όλες τις καλύψεις επιφάνειας ανά γωνία επαφής σωματιδίου-μεμβράνης. Ποσοτικά ανάλογα με την κάλυψη επιφάνειας και την γωνία επαφής, ο αριθμός Damkohler παρουσιάζει αυξητική τάση όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός Pe και όσο μικρότερη είναι η γωνία επαφής σωματιδίου-μεμβράνης. Από αυτό καταλαβαίνουμε ότι τον σπουδαιότερο ρόλο στην τιμή της μέσης συγκέντρωσης και κατ’ επέκταση του αριθμού Damkohler, παίζει το πεδίο ροής γύρω από το σωματίδιο καθώς και η διάχυση έναντι της συναγωγής. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας μπορούν χρησιμοποιηθούν για δύο σκοπούς: α) Σαν μέτρο σύγκρισης για προσεγγιστικές θεωρίες που θα αναπτυχθούν για το συγκεκριμένο πρόβλημα μεταφοράς μάζας και β) για την εξαγωγή συσχετίσεων για τους συντελεστές μεταφοράς μάζας οι οποίοι θα χρησιμοποιηθούν από κώδικες προσομοίωσης της δυναμικής λειτουργίας μεμβρανών αντίστροφης ώσμωσης.
description: The scope of the present diploma thesis is the connection of scaling phenomena through mass transfer coefficients on reverse osmosis membranes. For this reason, a mass transfer model was synthesized to describe the transport phenomena from bulk to membrane surface in the unit cell. The simulations were realized in a commercial CFD program. The scaling phenomena were tested at the range of membrane surface coverage 1% to 10%, angles between particle and membrane surface 30o, 90o and 180o. These values are realistic conditions met during the membranes operation. A 3D mass transfer model was developed to show that the unit cell is axisymmetric. A section of unit cell on radius direction was used for all simulations to decrease the solution time and the required memory. The results derived from the model showed that the bulk concentration do not affect the dimensionless Damkohler number. The Peclet number is defined as the ratio of diffusion to the convection and it is the main parameter of this problem. This number affects the velocity and concentration profiles and consequently the Damkohler number. The results from the present study will be used for: a) a benchmark for approximate theories to be developed for this mass transfer problem, b) correlations extraction for the mass transfer coefficients which will be used by simulation codes for the dynamic operation of reverse osmosis membranes.