L’elettrodialisi (ED) è una promettente tecnologia a membrana utilizzata in diversi campi, ad esempio nella dissalazione delle acque e nell’industria alimentare. L’ED usa un potenziale elettrico per indurre una migrazione selettiva di cationi ed anioni da una soluzione elettrolitica ad un’altra, sfruttando membrane a scambio ionico. Membrane anioniche e cationiche sono alternativamente collocate all’interno di una unità ED. A queste sono solitamente interposti spaziatori che prevengono il contatto tra le membrane e delineano i canali in cui scorrono le soluzioni. L’utilizzo di membrane profilate consente di costruire unità prive di tradizionali spaziatori a rete non conduttivi. In genere, la differenza di pressione tra le due soluzioni (trans-membrane pressure, TMP) in unità ED assume valori modesti o trascurabili (TMP<0.1 bar). Tuttavia, dispositivi a scala industriale con alimentazione cross-flow o con canali asimmetrici (diverso spessore e/o velocità del fluido) possono riscontrare valori significativi di TMP. Di conseguenza, le membrane e i canali possono essere deformati rispetto alla geometria nominale, alterando la resistenza idraulica e causando distribuzioni disomogenee del fluido. Nel presente lavoro è stato sviluppato un innovativo modello matematico per la simulazione dell’interazione fluido-struttura in canali di unità ED, al fine di valutare gli effetti della deformazione delle membrane sulla distribuzione delle soluzioni all’interno dei canali. Il modello 2D è stato implementato sul software di calcolo Matlab. Una coppia di canali adiacenti è stata simulata e scelta come unità periodica. Correlazioni della permeabilità di canali (indeformati e deformati) delineati da membrane profilate in funzione della TMP e della portata sono state ricavate da precedenti simulazioni meccaniche e fluidodinamiche. Il presente modello risolve l’equazione di continuità e la legge di Darcy in tutte le celle di calcolo, attraverso una procedura iterativa. L’algoritmo restituisce quindi la configurazione stazionaria dei canali deformati e le relative distribuzioni di portata. È stata riscontrata una notevole maldistribuzione in unità a geometria quadrata di 0.36 m2 alimentate in cross-flow con una velocità media superficiale delle soluzioni di 9.5 cm/s. La velocità mostra una tendenza alla stratificazione nella direzione parallela a quella del moto, con una variazione tra -25% e +40% rispetto al valore medio. In particolare, la velocità è più elevata nelle regioni in cui il canale è localmente espanso (dove il fattore di attrito risulta minore di quello di canale indeformato) ed inferiore nei tratti che risultano localmente compressi (dove il fattore di attrito è superiore rispetto a quello di canale indeformato). I risultati verranno implementati in modelli di processo per valutare l’effetto della maldistribuzione sulle prestazioni delle unità ED.

Giuseppe Battaglia, Luigi Gurreri, Andrea Cipollina, Antonina Pirrotta, Giorgio Micale, Alessandro Tamburini, et al. (2019). Analisi numerica degli effetti della deformazione di membrane a scambio ionico sulla distribuzione dei fluidi in canali di Elettrodialisi. In GRICU 2019 - Il contributo dell'Ingegneria Chimica Italiana alla sostenibilità globale.

Analisi numerica degli effetti della deformazione di membrane a scambio ionico sulla distribuzione dei fluidi in canali di Elettrodialisi

Giuseppe Battaglia;Luigi Gurreri;Andrea Cipollina;Antonina Pirrotta;Giorgio Micale;Alessandro Tamburini;Michele Ciofalo
2019-01-01

Abstract

L’elettrodialisi (ED) è una promettente tecnologia a membrana utilizzata in diversi campi, ad esempio nella dissalazione delle acque e nell’industria alimentare. L’ED usa un potenziale elettrico per indurre una migrazione selettiva di cationi ed anioni da una soluzione elettrolitica ad un’altra, sfruttando membrane a scambio ionico. Membrane anioniche e cationiche sono alternativamente collocate all’interno di una unità ED. A queste sono solitamente interposti spaziatori che prevengono il contatto tra le membrane e delineano i canali in cui scorrono le soluzioni. L’utilizzo di membrane profilate consente di costruire unità prive di tradizionali spaziatori a rete non conduttivi. In genere, la differenza di pressione tra le due soluzioni (trans-membrane pressure, TMP) in unità ED assume valori modesti o trascurabili (TMP<0.1 bar). Tuttavia, dispositivi a scala industriale con alimentazione cross-flow o con canali asimmetrici (diverso spessore e/o velocità del fluido) possono riscontrare valori significativi di TMP. Di conseguenza, le membrane e i canali possono essere deformati rispetto alla geometria nominale, alterando la resistenza idraulica e causando distribuzioni disomogenee del fluido. Nel presente lavoro è stato sviluppato un innovativo modello matematico per la simulazione dell’interazione fluido-struttura in canali di unità ED, al fine di valutare gli effetti della deformazione delle membrane sulla distribuzione delle soluzioni all’interno dei canali. Il modello 2D è stato implementato sul software di calcolo Matlab. Una coppia di canali adiacenti è stata simulata e scelta come unità periodica. Correlazioni della permeabilità di canali (indeformati e deformati) delineati da membrane profilate in funzione della TMP e della portata sono state ricavate da precedenti simulazioni meccaniche e fluidodinamiche. Il presente modello risolve l’equazione di continuità e la legge di Darcy in tutte le celle di calcolo, attraverso una procedura iterativa. L’algoritmo restituisce quindi la configurazione stazionaria dei canali deformati e le relative distribuzioni di portata. È stata riscontrata una notevole maldistribuzione in unità a geometria quadrata di 0.36 m2 alimentate in cross-flow con una velocità media superficiale delle soluzioni di 9.5 cm/s. La velocità mostra una tendenza alla stratificazione nella direzione parallela a quella del moto, con una variazione tra -25% e +40% rispetto al valore medio. In particolare, la velocità è più elevata nelle regioni in cui il canale è localmente espanso (dove il fattore di attrito risulta minore di quello di canale indeformato) ed inferiore nei tratti che risultano localmente compressi (dove il fattore di attrito è superiore rispetto a quello di canale indeformato). I risultati verranno implementati in modelli di processo per valutare l’effetto della maldistribuzione sulle prestazioni delle unità ED.
Elettrodialisi; deformazione; interazione fluido-struttura; simulazione numerica; modello
Giuseppe Battaglia, Luigi Gurreri, Andrea Cipollina, Antonina Pirrotta, Giorgio Micale, Alessandro Tamburini, et al. (2019). Analisi numerica degli effetti della deformazione di membrane a scambio ionico sulla distribuzione dei fluidi in canali di Elettrodialisi. In GRICU 2019 - Il contributo dell'Ingegneria Chimica Italiana alla sostenibilità globale.
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