simulatiebeschrijving.
De relevante fysische grootheden die in de simulatie zijn meegenomen, zijn de lokale druk en CO2-concentratie, zowel in de module (pm and cm) als in de vezels (pf and cf). Deze vier grootheden bepalen samen de hoeveelheid CO2 die door de vezels wordt afgevangen. Daarom moeten zowel het vezeldomein als de module in de simulatie worden opgenomen (Figuur 2). De sinkterm, oftewel de hoeveelheid CO2 die per m³ module in de vezels terechtkomt, kan dan lokaal worden berekend. De sinkterm m (in kg/m³/s) in de membraanvezels is:
m = αA' Δ(cp),
waarin α de membraanpermeantie is (in kg/s/m²/Pa/mol), A' het vezeloppervlak per volume-eenheid van de module is en Δ(cp) het verschil in partiële druk:
Δ(cp) = cm pm- cf pf.
Met behulp van deze vergelijkingen is de stroming binnen de module en de vezel in de simulatie berekend.
Het simuleren van de drukval over 2000 vezels is computationeel intensief. Daarom is de simulatie vereenvoudigd door de vezels te modelleren als een poreus medium. Daarnaast is slechts een klein deel van de geometrie in detail gesimuleerd, om vervolgens de berekende permeabiliteit te gebruiken in een macro-model (micro-/macromodelbenadering). Algemene informatie over micro/macro-benaderingen is hier te vinden. In het geval van de vezels is de stromingsweerstand anisotroop: de stroming langs de vezels ondervindt een andere weerstand dan de stroming loodrecht op de vezels. Beide eigenschappen zijn berekend voor verschillende vezeldichtheden om de drukval over de module te bepalen (Figuur 1). De vezeldichtheid is dus een expliciete ontwerpkeuze en hangt af van het aantal vezels en de beschikbare ruimte in de module
Door de berekende permeabiliteit van de vezels te combineren met de grotere geometrie van de module ontstaat een functionerend macromodel van het membraan. De invoerparameters zijn het massapercentage en het debiet van CO2 bij de inlaat, de druk bij de uitlaat en de onderdruk (zuigdruk) aan het uiteinde van de vezels. De uitvoer omvat het volledige stromingsveld, de drukverdeling, de verdeling van het massapercentage en de hoeveelheid CO2 die in de vezels wordt afgevangen.
simulatieresultaat.
Het resultaat van de simulatie, waarbij alle hierboven genoemde randvoorwaarden zijn toegepast, is te zien in Figuur 3. De concentratie van CO2 aan de modulezijde neemt af over de lengte van de module. In het vezeldomein zie je ook dat de CO2 concentratie lokaal toeneemt voordat het gas de module verlaat. Dit geeft aan dat de module werkt zoals bedoeld en CO2 uit de toevoerstroom onttrekt.
het gebruik van CFD door Aqualung om het moduleontwerp te optimaliseren.
Met behulp van CFD-simulaties kunnen invoerparameters zoals de geometrie van de module, de verpakkingsdichtheid van de vezels en procesparameters snel worden gevarieerd om het ontwerp van de module te optimaliseren. Dit betekent dat de module afgestemd kan worden op specifieke industriële processen. Op deze manier kan een kosten-batenanalyse worden uitgevoerd, waarbij de CO2-afvangzuiverheid en de CO2-massastroom aan de ene kant worden afgewogen tegen kosten zoals het benodigde pompvermogen en de afmetingen van de module aan de andere kant.
Bij simulaties van filtratieprocessen is het erg belangrijk om de relevante fysica die het membraanfiltratieproces aandrijft goed te begrijpen. Verschillende membraanprocessen kunnen bijvoorbeeld worden aangedreven door druk, concentratieverschillen van verschillende componenten, temperatuurverschillen of snelheden. Wij kunnen dit meenemen in onze simulaties. Als je een probleem hebt met filtratie- of membraantechnologie dat je graag wilt optimaliseren, helpen we je graag!
"physical problems with relevance for tomorrow"
Not only did this project contain interesting physics and computational challenges, but the resulting end product is relevant for today’s challenges. With our engineering skills we develop climate saving technologies, so that not only we, but also the next generation can enjoy the wonders of physics. What we call at Demcon ‘shared value’.
de uitdagingen die wij aangaan.
Demcon multiphysics.
Demcon multiphysics is an engineering agency with high-end expertise in the area of heat transfer, fluid dynamics, structural mechanics, acoustics, electromagnetism and nuclear physics. We support clients from a wide variety of market sectors and help them achieve their goals in research and development with deep physical insights.
We combine fundamental physical knowledge from an analytical approach with Computer Aided Engineering (CAE) simulations tools from ANSYS, MATHWORKS, COMSOL, STAR-CCM+ and FLUKA to setup, execute, analyze and evaluate numerical simulations. The use of Computational Fluid Dynamics (CFD), Finite Element Analysis (FEM / FEA), Lumped Element Modelling (LEM), Computational Electromagnetics (CEM) and Monte Carlo simulations enables us to make a virtual prototype of your design. With these techniques we can simulate the fluid and gas flows, energy exchange, heat and mass transfer, stresses, strains and vibrations in structures and the interaction of electromagnetic fields with other physical aspects like heat generation. Simulation-driven product development increases the development efficiency and reduces the product development time. Our services can therefore fully support you in the designing phase, from idea up to prototype, from prototype to final design.
