Simulation of membrane modules with OpenFOAM

Abstract

Mit Hilfe von numerischer Strömungssimulation (CFD), können das Design von Membranmodulen, die Betriebsbedingungen und die Umsetzung in den Prozess wie zum Beispiel die Schaltung von Kaskaden vorab analysiert werden. Einige Studien untersuchen Membrantrennprozesse mit Hohlfasermembranen mit CFD, wobei zumeist kommerzielle Software verwendet wurde. In dieser Arbeit wurden CFD-Simulationen der Strömung durch Hohlfasermembranen verwendet um die Trennleistung zu untersuchen. Dafür wurde die Open-Source-Software OpenFOAM verwendet. Da das Standardpaket von OpenFOAM keine Stoff- und Energieübertragung zwischen verschiedenen Regionen unterstützt, wird ein neuer Basislöser mit dem Namen membraneFoam an der TU Wien entwickelt. Der Löser verwendet Quell- und Senkenterme an den Grenzschichten um Energie- und Massentransfer zwischen den Regionen zu berechnen. Für alle Simulationen wurden dichte Polymermembranen modelliert mit Massentransfer basierend auf dem Lösungs-Diffusions-Modell. In einem ersten Schritt wurde ein 3-D Modell eines Membranmoduls mit sieben Fasern, fünf verschiedenen Permeatauslass-Positionen und einer Membranfläche von 0.011 m 2 modelliert. Um die Geometrie zu vernetzen, wurde die Software Ansys GAMBIT verwendet. Mit diesem Modell wurde der Einfluss der Durchflussrichtung in den Hohlfasern und im Gehäuse auf die Trennleistung untersucht. Um den neuen Löser Code zu validieren, wurde der Einfluss von verschiedenen Einlassmassenströmen auf die Trennleistung untersucht. Die Ergebnisse der CFD Simulation wurden mit Simulationen verglichen, welche mit einem zuverlässigen Membrantrennmodell durchgeführt wurden. Das Programm wurde an der TU Wien mit der kommerziellen Prozess Simulationssoftware Aspen Custom Modeler entwickelt. Die Ergebnisse der Validierungsdaten zeigen Abweichungen, die in einem akzeptabel niedrigen Fehlerbereich liegen. Im nächsten Schritt wurde ein Einzelfaser 3-D Membranmodul mit einer Membranoberfläche von 0.00035 m 2 mit der Software Ansys GAMBIT erstellt. Der Einfluss von verschiedenen Durchflussrichtungen, transmembranen Drücken, Permeanzen und Einlassmassenströmen auf die Trennleistung des Membranmoduls wurde analysiert. Um den neu entwickelten Basislöser mit Laborexperimenten zu vergleichen, wurde ein real vorhandenes Hohlfaser Membranmodul mit 30 Fasern und einer Membranoberfläche von 0.0013 m 2 modelliert. Das Membranmodul wurde mit einer kommerziellen CAD-Software gezeichnet und das Netz wurde mit snappyHexMesh erstellt, einem Werkzeug welches Bestandteil von OpenFOAM ist. Die Ergebnisse der CFD Simulation wurden mit Daten der Labormessungen mit dem Modul verglichen. Das tatsächlich vorhandene Modul hat eine Membranwanddicke von 55e-6 m, wobei die Membranwand in der Simulation als unendlich dünn modelliert wurden. Basierend auf den Ergebnissen der Simulationen lässt sich die Aussage treffen, dass der entwickelte Löser membraneFoam verlässliche Aussagen über die Trennleistung und Strömungsprofile in Membranmodulen. Die Implementierung einer porösen Schicht in den Löser, um die Membranwand zu berücksichtigen, die Analyse von Mischpromotoren in der Strömung und die Analyse von anderen Fluiden außer Gasen können Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

With the help of computational fluid dynamics (CFD), the design of membrane modules, the operating conditions and the implementation into the process like the design of cascade connections can be analyzed beforehand. A couple of studies investigate membrane separation processes in hollow fiber membranes with CFD whereas most of them use commercially available software. In this thesis, CFD simulations of the flow through hollow fiber membranes were used in order to examine the separation performance. The open source software OpenFOAM was used. As the standard package of OpenFOAM does not support the modeling of mass and energy transfer between different regions, a new base solver, named membraneFoam is developed at TU Wien. The solver handles source and sink terms on the boundaries to calculate energy and mass transfer between the regions. For all simulations, dense polymer membranes were assumed with mass transfer based on the solution-diffusion model. In the first step, a 3-D model of a module with seven fibers, five different permeate outlet positions and a membrane area of 0.011 m 2 was modeled. To mesh the geometry, the software Ansys GAMBIT was used. With this model, the influence of the flow patterns inside the hollow fibers and the shell on the separation performance was analyzed. In order to validate the new solver code, the influence of different inlet mass flows on the separation performance was analyzed. The results from the CFD simulations were compared to simulations which were carried out with an already validated membrane separation model. The program has been developed at TU Wien with the commercial process simulation software Aspen Custom Modeler. The results of the validation data to show deviations which proved to be in an acceptable low error range. In a next step, a single fiber 3-D membrane module with a membrane area of 0.00035m 2 was created with the software Ansys GAMBIT. The influence of different flow patterns, transmembrane pressures, permeances and inlet mass flows on the separation performance of the membrane module was analyzed. In order to compare the newly developed base solver to laboratory experiments, an actually existing hollow fiber module with 30 fibers and a membrane area of 0.0013m 2 was modeled. The membrane moduele geometry was created with a commercially available CAD software and meshed with the snappyHexMesh utility, which is supplied with OpenFOAM. The results of the CFD simualtion were compared to data from measurements with the module from lab experiments. The actual module has a membrane wall thickness of 55e-6 m, whereas the membrane walls in the simulation were assumed to be infinitely thin. Based on the results of the simulations, it can be stated that the developed solver membraneFoam enables to make reliable statements over the separation efficiency and flow patterns in membrane modules. Implementing a porous layer to the sovler to consider membrane wall thickness, analysis of mixing promotors of the flow and the analysis of other fluids than gases can be subject to further investigation.