جزئیات محصول
تاریخ انتشار: 01 سپتامبر 2018
دسته بندی:

New 3-dimensional Simulation of CO2 Stripping from Water within PVDF Hollow Fiber Membrane contactor

The present study is a modeling for carbon dioxide Stripping using PVDF. An attempt has been made to study a case including CO2-Dissolved Water as feed and pure N2 as solvent. Common method for Hollow Fiber modeling is 2D modeling of a single Hollow Fiber which can be generalized for the whole Hollow Fiber which cause errors in final results. The present 3D approach include all shell and tube Hollow Fiber membranes and prevent numerical errors. Furthermore, it was found that as the solvent moves faster and the feed moves slower, the efficiency increase while it has been more affected by feed flow rate than the solvent. In addition, results indicate that contact time is an underlying factor in mass transfer while the thickness of boundary layer is the limiting factor for mass transfer. The predictions of the developed model were compared with traditional model and experimentally data.

این تحقیق به منظور مدل سازی دفع کربن دی اکسید از آب با استفاده از غشای هالو فایبر از جنس پلی وینیلیدین فلوئورید انجام گرفت. سیستم در حالتی که آب حاوی کربن دی اکسید به عنوان خوراک و گاز نیتروژن خالص به عنوان حلال بود مورد بررسی قرار گرفت. روش معمول در مدل سازی مدول های هالوفایبر، مدل سازی دو بعدی یک غشای منفرد و بسط نتایج حاصله به کل مدول هالوفایبر است که باعث ایجاد خطا در نتایج می شد. مدل سه بعدی ارائه شده در این کار کل غشا های هالوفایبر شل و تیوب را شامل میشود و بنابراین خطاها کاهش می یابد. مشخص شد که افزایش سرعت حلال و کاهش سرعت خوراک باعث افزایش راندمان سیستم میگردد و تاثییر پذیری راندمان از تغییر سرعت خوراک بیشتر از تاثییر پذیری آن از تغییر سرعت حلال است.همچنین مشخص شد که اثر زمان تماس در داخل غشا عامل تعیین کننده در میزان انتقال جرم است در حالی که در داخل شل عامل ضخامت لایه ی مزری کنترل کننده انتقال جرم است. در نهایت سیستم به روش های معمول نیز مدل شد و با مقایسه ی نتایج ان با مدل جدید مشخص شد که مدل جدید همخوانی بیشتری با نتایج تجربی دارد.

حذف و بازیابی کربن دی اکسید به عنوان مهمترین گاز گلخانه ای، موضوعی است که توجه زیادی را به خود جلب کرده است. گفته میشود که ۸۰ درصد از گاز های گلخانه ای را دی اکسید کربن تشکیل میدهد و نصف میزان دی اکسید کربن نیز توسط صنایع و نیروگاه هایی که سوخت ها فسیلی مصرف میکند، تولید میشود[۱]. در بسیاری از فرایند های صنعتی گاز کربن دی اکسید میبایستی از مخلوط آن با گازهایی با وزن مولکولی سبک مانند گاز هیدروژن،گاز نیتروژن و یا گاز متان جدا شود. . اهمیت حذف کربن دی اکسید تنها به حذف آن از مخلوط های گازی منتهی نمیشود؛ بلکه درمواردی اهمیت جداسازی آن از مایعاتی مانند آب های استحصالی از چاه های نفتی و گازی دارای اهمیت فراوان است.

تجهیزات بسیار رایج در حذف گازهای اسیدی مانند کربن دی اکسید، استفاده از یک جاذب برای حذف این گاز ها در برج های پر شده یا صفحه ای میباشد که قبلا به صورت تئوری و عملی مورد بررسی قرار گرفته است [۲, ۳]. با توجه به میزان کربن دی اکسید موجود در جریان خوراک از حلال های فیزیکی و شیمیایی جهت جداسازی استفاده میشود. اگر از حلال های شیمیایی برای حذف کربن دی اکسید استفده شود، انگاه واکنش شیمیایی بین کربن دی اکسید و حلال رخ داده و باعث تولید فراورده های با پیوند های ضعیف میگردد. اما در جذب فیزیکی واکنش شیمیایی رخ نمیدهد. عملیات جذب فیزیکی معمولا برای جریان های گازی که غنی از کرین دی اکسید باشند بکار گرفته میشود. یک از برتری های جذب فیزیکی این است که جاذب های فیزیکی مانند آب، پلی اتیلن گلیکل و پروپیلن کربنات محدودیتی برای جذب ندارند. مخصوصا در مواردی که خوراک تحت عمل جریان گازی با فشار جزئی بالایی از گاز کربن دی اکسید باشد، انگاه حلال های فیزیکی ظرفیت بیشتری را نسبت به حلال های شیمیایی جهت جذب کربن دی اکسید ایجاد میکنند[۴]. تجهیزات کنونی که جهت فرایند جذب و دفع کربن دی اکسید به کار می‌روند بسیار انرژی بر هستند و مقدار زیادی انرژی حرارتی نیاز دارند. به همین جهت بسیاری از محققان تحقیقاتی را بر روی استفاده از غشا های هالو فایبر  به عنوان یک تجهیز جدید جهت انجام فرایند های جذب  مواد آلی کربن دی اکسید و سایر گاز های اسیدی انجام داده اند [۵-۱۷]. اما در طرف دیگر مطالعات انجام شده جهت دفع کربن دی اکسید بسیار نادر است. با توجه به اینکه بازیابی حلال و در مواردی خالص سازی کربن دی اکسید نیازمند انجام فرایند دفع است، انجام تحقیقات در این زمینه و استفاده از تکنولوژی های جدید در برابر تجهیزات انرژی بر قبلی امری بسیار ضروری است.

در تماس دهنده های غشایی، غشا معمولا به عنوان یک واسط فیزیکی بین دو سیال عمل میکند و بر خلاف بسیاری از فرایند های غشایی، این نوع غشا هیچ نوع انتخاب پذیری برای جداسازی مواد ندارد [۱۸, ۱۹]. از بین تمامی تماس دهنده های غشایی، غشاهای هالوفایبر توجه زیادی را به سوی خود جلب کرده اند.این وسیله نسبت سطح به حجم زیادی را برای عمل جداسازی و انتقال جرم در اختیار قرار میدهد.

غشا های هالو فایبر گاز مایع دستگاه هایی هستند که امکان تماس مستقیم دو فاز را فراهم میکنند تا انتقال جرم بین آنها صورت بگیرد، در حالی که یکی از فازها در دیگری پراکنده نشود. در هالوفایبر های گاز مایع، جریان گاز از یک طرف غشا حرکت میکند و جریان مایع از طرف دیگر غشا و معمولا در خلاف جهت جریان گاز عبور میکند. تماس بین گاز و مایع از منافذ غشا رخ میدهد و معمولا فرض میشود که گاز این پروس ها را اشغال میکند. فرایند های استخراج با هالوفایبر ها برتری های زیادی دارند که از میان آنها میتوان به ظرایب انتقال جرم بالاو دفع آسان مواد خروجی از فرایند و بسیاری موارد دیگر اشاره کرد.

همانگونه که در شکل ۱ نمایش داده شده است، در این تحقیق برای اولین بار  مدل سازی سه بعدی دفع گاز کربن دی اکسید از آب با استفاده از حلال گاز نیتروژن خالص صورت گرفت.به این صورت که از یک مدول هالوفایبر که شامل ۳۰ غشا در داخل یک شل میباشد استفاده شد. گاز حلال وارد قسمت شل(فضای بین لوله ها) میشود، در حالی که خوراک که شامل کربن دی اکسید محلول در آب است از داخل غشاها به گردش در می آید.

بنابر دانش ما در تمام تحقیقاتی که تاکنون جهت بررسی هالوفایبر های شل و تیوب انجام گرفته، یک غشای منفرد مورد بررسی قرار بوده است. به این صورت که یک غشا به نمایندگی از کل غشا های موجود در داخل مدول شل و تیوب انتخاب میشد و مدل سازی به صورت دو بعدی بر روی غشای منفرد صورت میگرفت و نتایج حاصل از آن به تمام غشاها نسبت داده میشود. استفاده از این تئوری باعث ایجاد خطا در نتایج میگشت. زیرا هنگامی که هالوفایبر شل و تیوب در فرایند مورد استفاده قرار گیرد، هر غشا افت فشار و گرادیان غلظت متفاوتی نسبت به غشای مجاور خود خواهد داشت.گرادیان غلظت های متفاوت باعث فلاکس های جرمی متفاوت برای هر غشا میشود. از طرف دیگر در اکثر مواقع به علت وجود تداخل در گرادیان های غلظت در مجاور غشا ها،جداسازی یک غشا از مجوعه جهت مطالعه ی انفرادی امری غیر ممکن است. بنابراین ارزیابی کل سیستم با نتایج حاصله از مدل سازی یک غشای منفرد باعث ایجاد خطا میگردد. بنابر دانش نویسندگان تاکنون مدل سه بعدی غشای هالوفایبر که کل سیستم به صورت یکجا مدل شده باشد در لیتریچر ها موجود نیست. با این دیدگاه در ادامه مدل سه بعدی هالوفایبر شل و تیوب بسط داده و سپس حل گردید تا خطا های مذکور در نتایج وارد نگردد. در این مدل سازی فرض بر این است که فرایند پایدار و ایزوترمال است و جریان های گاز و مایع در هم انحلال ناپذیر هستند. همچنین سرعت های حلال و خوراک در تماس دهنده باعث ایجاد جریان های آشفته نمیگردد و خواص فیزیکی و شیمیایی مربوط به مواد ثابت هستند.

 

کاهش غلظت کربن دی اکسید در طول غشا  ناشی از نفوذ کربن دی اکسید از تیوب به حلال در طی غشا است که در شکل (۴) به صورت برداری مشخص شده است.این شکل یک برش دو بعدی از مدل است که بر دا های انتقال جرم را بر روی لایه ای از توزیع غلظت کربن دی اکسید نمایش میدهد. محور قائم طول مقیاش شده ی غشا است و محور افقی نمایانگر شعاع  است. مقدار محور افقی طوری انتخاب شده است که شامل هر سه قسمت تیوب، غشا و قسمتی از شل شود.همانگونه که از شکل (۴) مشخص میشود، هنگامی که خوراک وارد سیستم میشود در طول های کمی از غشا مقدار نفوذ پایین است. ولی با پیشروی خوراک در طول غشا نفوذ افزایش مییابد. دلیل آن این است که چون حلال در خلاف جهت خوراک به گردش در آمده است پس در طول های بالاتری از غشا می توان گفت که حلال خالص تر بوده و گرادیان غلظت بیشتری وجود دارد و در نتیجه انتقال جرم نفوذی بیشتر است. هر چقدر که حلال مسیر بیشتری را طی کند مقدار کربن دی اکسید در آن افزایش یافته و اختلاف غلظت محلی نقاط حلال با خوراک کاهش می یابد.

هنگامی که سیالی وارد یک سطح شود تنش باعث ایجاد لایه ی مرزی میگردد. ایجاد لایه ی مرزی در سیستم های تماس دهنده ی غشایی باعث ایجاد مقاومتی در برابر انتقال جرم میگردد. میزان این مقاومت ارتباط مستقیمی با ضخامت لایه ی مرزی ایجاد شده دارد. برای کاهش لایه ی مرزی میتوان از بافل ها برای آشفته کردن جریان و در نتیجه کاهش مقاومت استفاده کرد. راه دیگر این است که سرعت سیال را افزایش داد تا ضخامت لایه ی مرزی کاهش یابد. ولی معمولا یک تمایل متضاد نیز موجود است که در سیستم های تماس دهنده ی دو سیال جهت انتقال جرم یا حرارت مطرح میشود و آن زمان تماس بین دو سیال است. با توجه به اینکه استفاده از روش دوم یعنی افزایش سرعت سیال باعث کاهش زمان تماس بین دو سیال میگردد، بنابرین انتظار میرود راندمان کاهش یابد. در سیستم غشای هالو فایبر اینکه کدام یکی از این دو تمایل متضاد سیستم را در کنترل خود میگیرد امری است که توسط آزمایش سیستم در حالت های مختلف به دست میآید و البته هر سیستم بسته به ماهیت خوراک و حلال نیازمند بررسی جداگانه ای است. با توجه به اینکه کار ازمایشگاهی از نظر زمان و اقتصاد به صرفه نیست بنابراین ما در اینجا از مدل جهت بررسی سیستم استفاده میکنیم.

جهت بررسی اثر ضخامت لایه ی مزری قسمت شل و مقاومت حاصل از آن ، مدل در جریان های مختلفی از گاز مورد بررسی قرار گرفت که نتایج در شکل (۵) واضح است. شکل (۵) غلظت کربن دی اکسید را در خروجی از تبوب سیستم بر حسب شعاع تیوب نمایش میدهد.  مشخص شد که با افزایش سرعت جریان گاز در داخل شل غلظت خروجی کربن دی اکسید از سیستم کاهش مییابد و بنابرین اثر کاهش ضخامت لایه ی مرزی یا همان کاهش مقاومت در قسمت شل عامل تعیین کننده و کنترل کننده راندمان در این قسمت است. در شکل ۶ افزایش راندمان سیستم سه بعدی در اثر افزایش سرعت گاز نشان داده شده است.

شکل(۷) اثر تغییر دبی خوراک را بر روی غلظت دی اکسید کربن خروجی از تبوب نمایش میدهد. هر چقدر که دبی خوراک مایع بیشتر شود، غلظت خروجی کربن دی اکسید از تیوب ها کاهش می یابد و این بدین معناست که در داخل تیوب ها زمان تماس است که راندمان سیستم را کنترل میکند و افزایش زمان تماس راندمان را افزایش میدهد. هرچند که افزایش زمان تماس باعث افزایش ضخامت لایه ی مرزی میگردد ولی در این قسمت اثر افزایش زمان تماس برای داشتن راندمان بیشتر مهمتر است. شکل ۸ نمایانگر کاهش راندمان سیستم مدل سه بعدی با افزایش سرعت خوراک در داخل تیوب ها را نشان میدهد.

نکته ی قابل توجه دیگر این است که تاثییر کاهش سرعت خوراک اثر بسیار بیشتری نسبت به افزایش سرعت حلال جهت دستیابی به راندمان بیشتر خواهد داشت. هنگامی که سرعت های خوراک و حلال به صورت مضاربی از ۲٫۵ افزایش پیدا میکند مشخص است که میزان دی اکسید کربن خروجی از تیوب ها تاثییر پذیری بیشتری از تغییر تغییر سرعت خوراک دارد. بنابرین تابعیت راندمان سیستم از سرعت خوراک بیشتر از تابعیت آن از سرعت حلال است.

 

مطابق انچه قبلا گفته شد، بنابر دانش ما تاکنون تمامی محققان، برای مدل سازی غشا هایی هالوفایبر به این صورت عمل کرده اند که یک غشای منفرد را به صورت دو بعدی مدل کرده و نتایج حاصل از ان را به تمامی غشا ها نسبت داده اند. بنابر این در تمامی مدل هایی که تاکنون ارائه شده بود روند به این صورت بود که یک پوسته ی فرضی به دور یک غشای منفرد در نظر گرفته میشد و مدل سازی به صورت دو بعدی صورت میگرفت. میزان شعاع این پوسته ی فرضی توسط هاپل[Happel, 2004 #22] ارائه میشود که بر این فرض استوار است که سرعت در سطح این پوسته ی فرضی بیشترین مقدار سرعت بین لوله هاست. استفاده از این تئوری هیدرودینامیکی در مباحث انتقال جرم مشروط بر این است که ضخامت لایه های مرزی جرمی و هیدرودینامیکی مساوی باشد و همچنین تداخل گرادیان های غلظت ناشی از هر غشا در داخل مدول موجود نباشد. این در حالی است که هیچ گواهی برای ارضا کردن این شرایط در مدول نیست. در اینجا برای مقایسه ی مدل ۳ بعدی انجام شده در این مقاله با مدل های پیشین که بر مبنای تئوری هاپل استوار هستند، مدل سازی به روش پیشین را  نیز انجام داده ایم.

 

مدل سه بعدی حذف کربن دی اکسید با استفاده از حلال نیتروژن خالص با استفاده از غشای هالو فایبر مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اینکه مشخص شد مقادیر بالای سرعت حلال و مقادیر کم سرعت خوراک باعث افزایش راندمان سیستم میگردد، پس به صورت تجربی بهتر است از نسبت های بالای سرعت حلال به خوراک استفاده کرد. از طرف دیگر چون افزایش راندمان بیشتر تابع کاهش سرعت مایه است تا افزایش سرعت گاز، بنابرین بهتر است که افزایش نسبتسرعت حلال به خوراک ،با کاهش سرعت خوراک صورت پذیرد. هر چند کاهش سرعت خوراک باعث کاهش دبی خوراک میگردد ولی میتوان این کاهش را با افزایش تعداد غشا ها جبران کرد. با توجه به اینکه کاهش راندمان سیستم در اثر افزایش زیاد مقدار کربن دی اکسید در ورودی مقدار زیادی نمیباشد، پس میتوان از این سیستم برای جداسازی جریان هایی که حاوی مقدار زیادی از کربن دی اکسید هستند نیز استفاده کرد. همچنین در مقایسه ی مدل جدید سه بعدی با مدل های قبلی مشخص شد که مدل جدید دارای دقت بیشتری نسبت به روش های قبلی مدل سازی دارد.

 

برای دریافت مشاوره در زمینه های مشابه با ما در تماس باشید: admin@matlab360.ir

لطفاً براي ارسال دیدگاه، ابتدا وارد حساب كاربري خود بشويد