Framework for coupled simulation of electrodialysis processes

  • Konzept und Umgebung für gekoppelte Simulationen von Elektrodialyse-Prozessen

Masilamani, Kannan; Roller, Sabine (Thesis advisor); Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor)

1st edition. - Siegen : universi - Universitätsverlag Siegen (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Simulation techniques in Siegen - STS 4
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Elektrodialyse ist ein effizientes Verfahren zur Meerwasserentsalzung, in dem verschiedene Phänomene zusammenwirken. Ionen werden dabei durch Strömung, Diffusion und eine elektrische Kraft transportiert und mittels selektiven Membranen getrennt. Für die Optimierung dieses Prozesses ist ein Verständnis der Interaktion dieser Effekte wichtig. Diese Arbeit präsentiert rigorose mathematische Modelle des Gesamtprozesses und erarbeitet eine numerische Strategie zur Simulation Durch diesen Ansatz wird es möglich die auftretenden Effekte mit ihren komplexen Interaktionen detailliert zu simulieren. Dazu werden die Maxwell-Stefan Gleichungen für Gemische verwendet, die auch die elektrische Kraft und Mehrkomponentenwechselwirkungen mit konzentrationsabhängigen Diffusions- und thermodynamischen Faktoren berücksichtigt. Darüber hinaus wird hier ebenfalls nicht die übliche Annahme der lokalen Elektroneutralität getroffen, um die Effekte in der elektrochemischen Doppelschicht an den Membranen zu ermöglichen. Für die numerische Behandlung dieser Gleichungen wird ein Lattice-Boltzmann (LBM) Verfahren im Löser Musubi implementiert. Das Modell der Kanaldurchströmung wird mit einem elektrischen Feld und einem Modell für die Membranen gekoppelt. Für das elektrische Feld wird in Musubi eine LBM zur Lösung der Poisson Gleichung implementiert. Die Kanäle zwischen den Membranen werden durch Abstandshalter mit komplexer Geometrie realisiert. Um eine passende Diskretisierung des Gitters für diese Kanäle zu gewährleisten wird ein Gittergenerator (Seeder) auf der Basis von Octrees entwickelt. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit ist der Entwicklung des parallel skalierbaren Kopplungswerkzeugs APESmate gewidmet. APESmate wird im Rahmen der APES-Suite neben Seeder und Musubi entwickelt und erlaubt die Interaktion verschiedener Löser auf Basis einer gemeinsamen zentralen Octree-Datenstruktur, die eine effiziente Handhabung der I/O auf großen verteilt parallelen Rechensystemenermöglicht. Die entwickelte Software wird verwendet um das nichtideale Mehrkomponentenmodell fïr verschiedene Konzentrationen und Oberflächenpotentiale zu vergleichen. Die Ergebnisse belegen, dass nichtideale Effekte, insbesondere in der elektrochemischen Doppelschicht, mit der Konzentration zunehmen. Die Abstandshalter werden mit mehreren hydrodynamischen Winkeln und Einströmgeschwindigkeiten nahe und fern einer Ecke untersucht um die Auslegung mit minimalen Druckabfall und ohne Totwassergebiete zu bestimmen. Diese hochaufgelösten Simulationen zeigen, dass der Druckabfall mit dem hydrodynamischen Winkel zunimmt, während die Größe der Zonen mit geringer Durchströmung abnehmen.

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