Zjawiska transportu kropel cieczy w strukturach włókninowych. Modelowanie procesów dla projektowania filtrów koalescencyjnych.

Gac, J. M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Zjawiska transportu kropel cieczy w strukturach włókninowych. Modelowanie procesów dla projektowania filtrów koalescencyjnych.

Autorzy

Gac J. M.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Transport phenomena of liquid droplets in fibrous structures. Process modeling for design of coalescence filters

Języki publikacji

Abstrakty

Celem niniejszej monografii jest przedstawienie filtracji aerozoli ciekłych w filtrach włókninowych. Punktem wyjścia do sformułowania opisu filtracji jest analiza procesów transportu zachodzących wewnątrz filtra. Jest to oryginalne podejście do omawianego problemu na tle innych prac poświęconych filtracji aerozoli ciekłych. Typowe podejścia wykorzystują bowiem do opisu ilościowego omawianego procesu uproszczone równania bilansu materiałowego w połączeniu z formułami empirycznymi. Tymczasem, zrozumienie fizyki zjawisk zachodzących podczas procesu filtracji - przede wszystkim zjawisk zachodzących w skali mikro - pozwala lepiej zrozumieć zależności ilościowe opisujące ten proces oraz jego dynamikę. Przede wszystkim zaś, pozwala określić, które wielkości fizyczne najsilniej wpływają na proces filtracji i jego dynamikę, a które mają mniejsze znaczenie. To z kolei ułatwia sformułowanie zasad projektowania filtrów dla konkretnych zastosowań (np. dla z góry określonej prędkości liniowej powietrza czy koncentracji kropel). Nawet, jeśli część parametrów opisu płacy filtra zostanie wyznaczona na podstawie wyników eksperymentów (gdyż np. wyznaczenie ich za pomocą rozwiązania równań analitycznych lub modelowania numerycznego byłoby zbyt czaso-i pracochłonne lub wręcz niemożliwe ), to uwzględnienie fizycznych podstaw procesów transportu w opisie filtracji zapewnia większą uniwersalność uzyskanych wyników. Monografia niniejsza została napisana z zachowaniem porządku "od szczegółu do ogółu". Oznacza to, że w pierwszej kolejności zostaną omówione zjawiska i procesy transportu w skali mikro: oddziaływania pomiędzy pojedynczymi kroplami oraz pomiędzy kroplą a włóknem oraz dynamika kropel - zarówno przepływających swobodnie przez strukturę filtra, jak i zdeponowanych na powierzchni włókien. Ten opis posłuży następnie do sformułowania opisu w skali mezo, który pozwoli przewidzieć sprawność pojedynczego włókna oraz sposób uwzględnienia w opisie sprawności koalescencji kropel, ich wtórnego porywania z powierzchni włókien, ociekania włókien itp. Wyniki tego opisu posłużą wreszcie do sformułowania modelu opisującego pracę całego filtra, w szczególności wyznaczenia zależności sprawności filtracji i oporów przepływu gazu od struktury filtra i czasu procesu (a właściwie, jak to zostanie wykazane, ilości cieczy zatrzymanej przez filtr). Całościowy model może być określony jako opis w skali makro. Jego wyniki zostaną porównane z danymi z badań eksperymentalnych - zarówno dostępnych w literaturze przedmiotu, jak i własnych, uzyskanych w trakcie pracy nad omawianymi zagadnieniami, z wykorzystaniem oryginalnie wytworzonych filtrów włókninowych.

The aim of the monograph is description of liquid aerosol filtration in fibrous filters. The starting point for the description of filtration is the analysis of transport processes occurring inside the filter. It is an original approach to the problem when compared with other works on filtration of liquid aerosols. Typical approaches use a simplified material balance equation together with empirical formulae for quantitative description of this process. However, understanding the physics of the phenomena occurring during the filtration process - first of all, phenomena occurring in the microscale - allows us to understand better the quantitative relationships describing the process and its dynamics. First of all, it can determine which physical variables affect the filtration process and its dynamics to the highest degree and which are less important. This facilitates formulation of the principles of filter design for particular applications (e.g. for a predetermined linear velocity of the air or concentration drops). Even if some parameters of the filter should be determined by means of the results of experiments, taking into account the physics of transport processes during the description of :filtration provides greater universality of the results.This monograph was written maintaining order "from the particular to the general". That means that at the beginning transport processes in the microscale are discussed, i.e. interaction between individual droplets and between the droplet and the droplet and fiber - both flowing freely through the filter structure and deposited on the fiber surface. This description is then used to the wording of the description on the mesoscale, which predicts the single fiber efficiency and indicates how to take into account the description of the efficiency of coalescence of droplets, their re-entrainment from the fibers, fibers drainage etc. The results of this description are finally used to formulate a model describing the entire filter, in particular the determination of the dependence of filtration efficiency and pressure drop on the filter structure and the time of the process. The results are compared with data from experimental studies - both available in the literature, as well as obtained during this work by use of the originally manufactured nonwoven filters.

Słowa kluczowe

filtry włókninowe filtracja mgieł modelowanie numeryczne filtracji projektowanie filtrów

liquid aerosol filtration filtration efficiency transport phenomena numerical modelling

Wydawca

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Czasopismo

Prace Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej

Rocznik

2016

Tom

Vol. 38, z. 1

Strony

3--130

Opis fizyczny

Bibliogr. 69 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Gac J. M.

Katedra Inżynierii Procesów Zintegrowanych

Bibliografia

1. Ashgriz N., Poo J.Y. (1990) Coalescence and separation in binary collisions of liquid drops. Journal of Fluid Mechanics 221, 183-204.
2. Bhatnagar P.L., Gross E.P., Krook M. (1954) A model for collision processes in gases. I. Small amplitude processes in charged and neutral one-component systems. Physical Review 94, 511-525.
3. Brown R. (1993) Air Filtration: An Integrated Approach to the Theory and Applications of Fibrous Filters, Pergamon Press, Oxford.
4. Carrol B.J. (1986) Equilibrium conformations of liquid drops on thin cylinders under Forces of capillarity. A theory for the roll-up process, Langmuir 2, 248-250.
5. Cassie, A.B.D., Baxter, S., (1944) Wettability of porous surfaces. Transactions of Faraday Society 40, 546-551.
6. Charvet A., Gonthier Y., Bernis A., Gonze E. (2008) Filtration of liquid aerosols with a horizontal fibrous filter, Chemical Engineering Research and Design 86, 569-576.
7. Charvet A., Gonthier Y., Gonze E., Bernis A. (2010) Experimental and modelled efficiencies during the filtration of a liquid aerosol with a fibrous medium, Chemical Engineering Science 65, 1875-1886.
8. Chen C.Y. (1955) Filtration of Aerosols By Fibrous Media, Chemical Reviews 55, 595-623.
9. Chen D., Doolen G.D. (1998) Lattice Boltzmann method for fluid flows. Annual Review of Fluid Mechanics 30, 329-364.
10. Chen D., Pu B. (2001) Studies on the Binary Coalescence Model. Effects of drops Size and Interfacial Tension on Binary Coalescence Time. Journal of Colloid and Interface Science 243, 433-443.
11. Cheng Y., Yamada Y., Yeh H. (1990) Diffusion deposition on model fibrous filters with intermediate porosity, Aerosol Science Technology 12(2), 286-299.
12. Cox R.G. (1969) The deformation of a drop in a general time-dependent fluid flow, J. Fluid Mech. 37, 601-623.
13. Cox R.G. (1986) The dynamics of the spreading of liquids on a solid surface, Journal of Fluid Mechanics 168, 169-194.
14. Davies, C.N. (1973) Air Filtration. Academic Press, London .
15. Dawar S., Chase G.G. (2008) Drag correlation for axial motion of drops on fibers, Separation and Purification Technology 60, 6-13.
16. Dawar S., Chase G.G. (2010) Correlations for transverse motion of liquid drops on fibers, Separation and Purification Technology 72, 282-287.
17. Ebihara K., Watanabe T. (2003) Lattice Boltzmann simulation of the interfacial growth of the horizontal stratified two-phase flow, International Journal of Modern Physics B 17, 113-117.
18. Prising T., Gujisaite V., Thomas D., Calle S., Bemer D., Contal P., Leclerc D. (2004) Filtration of solid and liquid aerosol mixtures: pressure drop evolution and influence of solid/liquid ratio, Filtration & Separation 41, 37-39.
19. Prising T., Thomas D., Bemer D., Contal P. (2005) Clogging of fibrous filters by liquid aerosol particles: experimental and phenomenological modelling study. Chemical Engineering Science 60, 2751-2762.
20. Gac J.M. (2014) A large eddy based lattice-Boltzmann simulation of velocity distribution in an open channel flow with rigid and flexible vegetation, Acta Geophysica 62(1), 180-198.
21. Gac J.M. (2015a) Re-entrainment of the droplets during the mist filtration on fibrous filters-experimental and numerical study, Proceedings of 42nd International Conference of Slovak Society of Chemical Engineering, 25-29.05.2015, Tatranske Matliare, Słowacja.
22. Gac J.M. (2015b) A simple numerical model of pressure drop dynamics during the filtration of liquid aerosols on fibrous filters, Separation Science and Technology 50(13), 2015-2022.
23. Gac J. M, Gradoń L. (2011) A two-dimensional modeling of binary coalescence time using the two-color lattice-Boltzmann method, Journal of Aerosol Science 42, 355-363.
24. Gac J.M., Gradoń L. (2012a) Analytical investigation and numerical modeling of collisions between a droplet and a fiber. Journal of Colloid and Interface Science 369, 419-425.
25. Gac J.M., Gradoń L. (2012b) Modeling of axial motion of small droplets deposited on smooth and rough fiber surfaces, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 414, 259-266.
26. Gac J.M., Gradoń L. (2013) Badanie nieustalonej filtracji aerozoli ciekłych na filtrach włóknistych, Inżynieria i Aparatura Chemiczna 52(4), 308-309.
27. Gac J.M., Jackiewicz A., Gradoń L. (2014) Modeling of filtration of solid and liquid aerosol mixture on fibrous filters, Conference Proceedings: Oil and Gas and Chemical Filtration and Separations, AFS 2014; Houston, TX; USA; 24-26.03.2014; Abstrakt nr 107351.
28. Gac J.M., Paziewska A. (2015) Badanie porywania kropel zdeponowanych na włókninowych wkładach filtracyjnych, Inżynieria i Aparatura Chemiczna 54(3), 82-84.
29. Garabedian R.S., Helble J.J. (2001). A Model for the Viscous Coalescence of Amorphous Particles. Journal of Colloid and Interface Science 234, 248-260.
30. Gilet T., Terwagne D., Vandewalle N. (2010) Droplet sliding on fibers, European Physical Journal E 31, 253-262.
31. Guido S., Villone M. (1998) Three-dimensional shape of a drop under simple shear flow, Journal of Rheology 42, 395-416.
32. Gunstensen A.K., Rothman D.H., Zaleski S., Zanetti G. (1991) Lattice Boltzmann model of immiscible fluids. Physical Review A 43(8), 4320-4327.
33. Hao L., Cheng P. (2010) An analytical model for micro-droplet steady movement on the hydrophobic wall of a micro-channel. International Journal of Heat and Mass Transfer 53, 1243-1246.
34. He X.Y., Chen S.Y., Zhang R.Y. (1999) A lattice Boltzmann scheme for incompressible multiphase flow and its application in simulation of Rayleigh-Taylor instability. Journal of Computational Physics 152(2), 642-663.
35. He X., Luo L.-S. (1997) Lattice Boltzmann model for the incompressible Navier-Stokes equation. Journal of Statistical Physics 88, 927-944.
36. Hinds W. (1999) Aerosol Technology - Properties, Behaviour and Measurement of Airborne Particles, second ed., John Wiley & Sons, New York.
37. Ko G.H., Ryou H.S., (2005) Modeling of droplet collision-induced breakup process International Journal of Multiphase Flow 31,723-738.
38. Kokko M.L., Rothman D.H. (2007) Scaling of dynamic contact angle in a Lattice Boltzmann model, Physical Review Letters 98, 254503.
39. Kuwabara S. (1959). The Forces experienced by randomly distributed parallel circular cylinders or spheres in a viscous flow at small Reynolds numbers. Journal of Physics Society of Japan 14, 527-532.
40. Landau L.D., Lifszyc E.M. (1971) Fizyka statystyczna. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa.
41. Lee KW., Liu B.Y.H. (1982) Theoretical study of aerosol filtration by fibrous filters, Aerosol Science and Technology 1(2), 147-161.
42. LeVeque R.J. (2002) Finite Volume Methods for Hyperbolic Problems, Cambridge University Press.
43. Maffettone P.L., Minale M. (1998) Equation of change for ellipsoidal drops in viscous flow. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 78, 227-241.
44. Mannella R., Palleschl V. (1989) Fast and precise algorithm for computer simulation of stochastic differential equations, Physical Review A 40, 3381-3386.
45. Mayer G., Pales J., Hazi G. (2007), Large eddy simulation of subchannels using the lattice Boltzmann method, Annual Nuclear Energy Review 34, 140-149.
46. McNamara G., Zanetti G. (1988) Use of the Boltzmann equation to simulate lattice gas automata. Physical Review Letters 761, 2332-2335.
47. Mead-Hunter R., King A.J.C., Mullins B.J. (2014) Aerosol-mist coalescing filters - A review. Separation and Purification Technology 133, 484-506.
48. Mullins B.J., Pfrang A., Braddock R.D., Schlmmel T., Kasper G. (2007) Detachment of liquid droplets from fibres-Experimental and theoretical evaluation of detachment force due to interfacial tension effects. Journal of Colloid and Interface Science 312,333-340.
49. D'Ortona U., Salin D., Cieplak M., Rybka R.B., Banavar J.R. (1995) Two-color nonlinear Boltzmann cellular automata: Surface tension and wetting. Physical Review E 51, 3718-3728.
50. Palmer B.J., Rector D.R. (2000) Lattice Boltzmann algorithm for simulating thermal flow in compressible fluids. Journal of Computational Physics 161, 1-20.
51. Patankar S.V. (1980). Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Taylor & Francis.
52. Patankar S.V., Spalding D.B. (1972) A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows, International Journal of Heat and Mass Transfer, 15(10), 1787-1806.
53. Patel P.D., Shaqfeh E.S.G., Butler J.E., Cristini V., Bławzdziewicz J., Loewenberg M. (2003). Drop breakup in the flow through fixed fiber beds: An experimental and computational investigation. Physics of Fluids 15(5), 1146-1157.
54. Qian Y.H., d'Humieres D., Lallemnad P. (1992) Lattice BGK models for Navier-Stokes equation. Europhysics Letters 17, 479-484.
55. Quere, D. (2002) Rough ideas of wetting. Physica A 313, 32-46.
56. Raynor P.C., Leith D., (2000) The influence of accumulated liquid on fibrous filter performance, Journal of Aerosol Science 31(1), 19-34.
57. Reis T., Phillips T.N. (2007) Lattice Boltzmann Model for Simulating Immiscible Two-Phase Flows, Journal of Physics A 40, 4033-4053.
58. Rossky P.J., Doll J.D., Friedman H.L. (1978) Brownian dynamics as smart Monte Carlo simulation, J. Chem. Phys. 69, 4628-4633.
59. Shan X., Chen H. (1993) Lattice Boltzmann model for simulating flows with multiple phases and components. Physical Review E 47(3), 1815-1819.
60. Stone H.W. (1994) Dynamics of drop deformation and breakup in viscous fluids. The viscosity of a fluid containing small drops of another fluid, Annual Review of Fluid Mechanics 26, 65-102.
61. Swift M.R., Osbom W.R., Yeomans J.M. (1995) Lattice Boltzmann simulation of nonideal fluids. Physical Review Letters 75(5), 830-833.
62. Taylor G.I. (1932) The viscosity of a fluid containing small drops of another fluid, Proceedings of Royal Society A 138,41-48.
63. Taylor G.I. (1934) The formation of emulsion in definable field of flow, Proceedings of Royal Society A 146, 501-523.
64. Thomas D., Contal P., Renaudin V., Penicot P., Leclerc D., Vendeltm J. (1999) Modelling pressure drop in HEPA filters during dynamic filtration. Journal of Aerosol Science 30, 235-246.
65. Turq P., Lantelme F., Friedman H.L. (1977) Brownian dynamics: Its application to ionic solutions, Journal of Chemical Physics 66, 3039-3044.
66. Van Gulijk C. (2002) Rational design of a robust diesel particulate filter. Ponsen & Looijen BV, Wageningen (rozprawa doktorska).
67. Van Gunsteren W.F., Berendsen H.J. (1982) Molecular dynamics: perspective for complex systems. Biochememical Society Transactions 10, 301-5.
68. Wenzel R.N. (1936) Resistance of solid surface to wetting by water. Industrial & Engineering Chemistry 28, 988-994.
69. Zou Q., He X. (1997) On pressure and velocity boundary conditions for the lattice Boltzmann BGK model, Physics of Fluids 9(6), 1591-1598.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-85cd2bb7-d919-421e-a6bf-10e7b24da93e