본 연구에서는 수치모사 프로그램을 이용한 효율적인 분리막 모듈의 장치 디자인의 기본적인 설계를 바탕으로 평판형 분리막 모듈내 스페이서 형태에 따른 농도분극 현상과 중공사형 직접접촉식 막증류 공정의 수치해석을 통하여 최적의 운전조건을 확립하고자 하였다. 분리막 모듈내 스페이서는 용액의 원활한 흐름을 위한 공간 확보와 더불어 유체의 난류를 형성시키므로 농도분극화 현상을 감소시키고 막 표면에 축적되는 오염물을 용액내로 혼합하여 높은 투과유속과 분리막 모듈을 장기간 운전하는데 도움을 준다. 분리막 모듈내 원형, 십자형, 다이아몬드형 및 육각형 단면의 스페이서와 스페이서의 배열 각도, ...
본 연구에서는 수치모사 프로그램을 이용한 효율적인 분리막 모듈의 장치 디자인의 기본적인 설계를 바탕으로 평판형 분리막 모듈내 스페이서 형태에 따른 농도분극 현상과 중공사형 직접접촉식 막증류 공정의 수치해석을 통하여 최적의 운전조건을 확립하고자 하였다. 분리막 모듈내 스페이서는 용액의 원활한 흐름을 위한 공간 확보와 더불어 유체의 난류를 형성시키므로 농도분극화 현상을 감소시키고 막 표면에 축적되는 오염물을 용액내로 혼합하여 높은 투과유속과 분리막 모듈을 장기간 운전하는데 도움을 준다. 분리막 모듈내 원형, 십자형, 다이아몬드형 및 육각형 단면의 스페이서와 스페이서의 배열 각도, 용질 배제율 및 투과유속에 대한 농도 변화를 “COMSOL Multiphysics" 프로그램으로 수치 해석하여 최적화하였다. 4가지 형태의 스페이서 중에서 십자형 단면 스페이서를 포함한 모듈의 경우가 분리막 표면 농도를 가장 낮게 유지하였으며 스페이서의 배열 각도는 30°가 효율적이었다. 스페이서가 없는 모듈 출구에서 분리막 표면의 농도는 입구보다 약 2.09배 까지 증가하였으나 가장 효율적인 십자형 스페이서를 30°로 배열할 경우 약 1.29배로서 최대 37% 낮았다. 또한 투과유속이 증가할수록 십자형 스페이서의 농도분극 감소효과는 급격히 증가하였다. 또한 막증류 공정은 소수성이 강한 0.1 내지 0.5㎛의 정밀여과막을 통하여 휘발도가 상대적으로 큰 성분을 증발시켜 분리하는 방법이다. 유체의 유입온도, lumen 및 shell side 공급 유속의 변화로 인한 투과량의 변화를 해석하였다. Lumen 공급용액의 온도가 30 에서 50℃까지 증가할 경우 막증류 투과량은 1.0에서 3.8 L/m2 ․ hr 까지 증가하였으나 shell 유체온도 영향은 상대적으로 낮았다. Lumen 공급유속에 따른 막증류 투과량과 운전 압력손실을 고려할 경우 0.15m/s(ReL=135)일 때 가장 효율적임을 확인하였다.
본 연구에서는 수치모사 프로그램을 이용한 효율적인 분리막 모듈의 장치 디자인의 기본적인 설계를 바탕으로 평판형 분리막 모듈내 스페이서 형태에 따른 농도분극 현상과 중공사형 직접접촉식 막증류 공정의 수치해석을 통하여 최적의 운전조건을 확립하고자 하였다. 분리막 모듈내 스페이서는 용액의 원활한 흐름을 위한 공간 확보와 더불어 유체의 난류를 형성시키므로 농도분극화 현상을 감소시키고 막 표면에 축적되는 오염물을 용액내로 혼합하여 높은 투과유속과 분리막 모듈을 장기간 운전하는데 도움을 준다. 분리막 모듈내 원형, 십자형, 다이아몬드형 및 육각형 단면의 스페이서와 스페이서의 배열 각도, 용질 배제율 및 투과유속에 대한 농도 변화를 “COMSOL Multiphysics" 프로그램으로 수치 해석하여 최적화하였다. 4가지 형태의 스페이서 중에서 십자형 단면 스페이서를 포함한 모듈의 경우가 분리막 표면 농도를 가장 낮게 유지하였으며 스페이서의 배열 각도는 30°가 효율적이었다. 스페이서가 없는 모듈 출구에서 분리막 표면의 농도는 입구보다 약 2.09배 까지 증가하였으나 가장 효율적인 십자형 스페이서를 30°로 배열할 경우 약 1.29배로서 최대 37% 낮았다. 또한 투과유속이 증가할수록 십자형 스페이서의 농도분극 감소효과는 급격히 증가하였다. 또한 막증류 공정은 소수성이 강한 0.1 내지 0.5㎛의 정밀여과막을 통하여 휘발도가 상대적으로 큰 성분을 증발시켜 분리하는 방법이다. 유체의 유입온도, lumen 및 shell side 공급 유속의 변화로 인한 투과량의 변화를 해석하였다. Lumen 공급용액의 온도가 30 에서 50℃까지 증가할 경우 막증류 투과량은 1.0에서 3.8 L/m2 ․ hr 까지 증가하였으나 shell 유체온도 영향은 상대적으로 낮았다. Lumen 공급유속에 따른 막증류 투과량과 운전 압력손실을 고려할 경우 0.15m/s(ReL=135)일 때 가장 효율적임을 확인하였다.
In this study, a numerical analysis of the concentration distribution in plate membrane module with spacer and direct contact membrane distillation(DCMD) was optimized using the "COMSOL Multiphysics" software. As the spacers in the membrane module provide the channel space to flow the feed solution ...
In this study, a numerical analysis of the concentration distribution in plate membrane module with spacer and direct contact membrane distillation(DCMD) was optimized using the "COMSOL Multiphysics" software. As the spacers in the membrane module provide the channel space to flow the feed solution smoothly and induce the flow turbulence, it could help to reduce concentration polarization and to take the long-term operation of membrane modules with high permeate flux by mixing the accumulated contaminants on the membrane surface into the bulk solution. The concentration distribution in membrane module with respect to the spacers which have the cross-sectional shapes of circle, cross, diamond and hexagon, the angles of spacer configuration, solute rejection and permeate flux were interpreted and optimized numerically. The concentration on the membrane surface was kept the lowest level for the cross-shape among the above 4 types of spacers. Also the 30 degree spacer configuration was showed as the most efficient case. For example, the concentrations on the membrane surface at the module outlet for without spacer and the cross shape with the 30 degree spacer configuration were 2.09 and 1.29 times higher than those at inlet, respectively. The reduction effect of concentration polarization increased rapidly as permeate flux increased. Membrane distillation(MD) is a separation process which higher vapor pressure components are evaporated in mixed liquid solution through hydrophobic membrane with 0.1 or 0.5 μm pore size. The variables for the system were temperatures and flow rates of lumen and shell side solutions. The permeate flux increased from 1.0 to 3.8 L/m2․hr as temperature of the feed solution for lumen increased from 30 to 50℃. However the effect of shell solution temperature on permeate flux was relatively low. Also, the optimum velocity of lumen feed was obtained at 0.15m/s(ReL=135) by considering MD permeate flux as well as operating pressure loss.
In this study, a numerical analysis of the concentration distribution in plate membrane module with spacer and direct contact membrane distillation(DCMD) was optimized using the "COMSOL Multiphysics" software. As the spacers in the membrane module provide the channel space to flow the feed solution smoothly and induce the flow turbulence, it could help to reduce concentration polarization and to take the long-term operation of membrane modules with high permeate flux by mixing the accumulated contaminants on the membrane surface into the bulk solution. The concentration distribution in membrane module with respect to the spacers which have the cross-sectional shapes of circle, cross, diamond and hexagon, the angles of spacer configuration, solute rejection and permeate flux were interpreted and optimized numerically. The concentration on the membrane surface was kept the lowest level for the cross-shape among the above 4 types of spacers. Also the 30 degree spacer configuration was showed as the most efficient case. For example, the concentrations on the membrane surface at the module outlet for without spacer and the cross shape with the 30 degree spacer configuration were 2.09 and 1.29 times higher than those at inlet, respectively. The reduction effect of concentration polarization increased rapidly as permeate flux increased. Membrane distillation(MD) is a separation process which higher vapor pressure components are evaporated in mixed liquid solution through hydrophobic membrane with 0.1 or 0.5 μm pore size. The variables for the system were temperatures and flow rates of lumen and shell side solutions. The permeate flux increased from 1.0 to 3.8 L/m2․hr as temperature of the feed solution for lumen increased from 30 to 50℃. However the effect of shell solution temperature on permeate flux was relatively low. Also, the optimum velocity of lumen feed was obtained at 0.15m/s(ReL=135) by considering MD permeate flux as well as operating pressure loss.
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