بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
افزایش ضریب انتقال جرم حجمی در راکتور همزندار در فرآیند جذب گاز کربن دی اکسید در آب با افزودن نانو ذرات اکسید آلومینیم
چکیده
در دهه اخیر، اثرات نانوذرات بر افزایش ضریب انتقال جرم و در نتیجه بهبود عملکرد فرآیند در سیستم های جذب گاز توسط فاز مایع، مورد توجه دانشمندان زیادی قرار گرفتهاست. در این پژوهش با افزودن نانو ذرات اکسید آلومینیوم گاما به سیال پایه، ضریب انتقال جرم حجمی (kLa) در فرآیند جذب گاز کربن دی اکسید در آب درون یک تانک همزندار (راکتور همزندار) با دو پروانه راشتون افزایش یافت. ضریب انتقال جرم در غلظتهای(0/0(%V/Vتا0/05 برایسرعتهای مختلف پروانه 1400rpm،1150 با دبی عبوری 1/0l/min اندازه گیری شد. نتایج 2/25 برابر افزایش را در ضریب انتقال جرم حجمی در غلظت0/05 %V/V نانوسیال در سرعت 1150 rpm پروانه نشان داد.
کلمات کلیدی
نانو سیال-Al2O3 ، ضریب انتقال جرم ، جذب، کربن دی اکسید، راکتور همزندار
نکات برجسته پژوهش
· در این پژوهش برای اولین بار به بررسی اثرات نانو سیال اکسید آلومینیوم با پایه آب بر ضریب انتقال جرم در سامانه جذب کربن دی اکسید در یک راکتور همزن دار پرداخته شده است.
· افزایش ضریب انتقال جرم حجمی به میزان 2/25 برابر در غلظت پایین 0/05 %V/V نانوسیال آب / اکسـید آلومینیوم
· طراحی سیستم کارآمد نمونه گیری از یک راکتور همزن دار در بازه زمانی کوتاه
-1 مقدمه
جذب گاز توسط فاز مایع یکی از روشهای متداول برای حذف یـا جداسـازی یـک جـزء از یـک مخلـوط گـازی اسـت. تحقیقات گستردهای برای افزایش راندمان این فرآیند مانند افزودن مواد شیمیایی به فاز مایع، افزودن میکـروذرات و نـانوذرات به فاز مایع انجام شده است. با افزایش ضریب انتقال جرم، راندمان فرآیند افزایش و انـدازه و هزینـههـای سـاخت دسـتگاههـای انتقال جرم کاهش مییابد. بعنوان نمونه میتوان به افزودن محلولهای آمینی و بازی نظیر متیل دی اتانول آمـین (MDEA) و سود به فاز مایع برای جذب گاز کربن دی اکسید اشاره کرد1]و.[2 امروزه محققان برای رفع مشکلات استفاده از مواد شیمیایی نظیر خوردگی راکتورهای شیمیایی، نوع حلال، اتلاف و آلودگیهای ناشی از آنها، به دنبال روشهای نوینی برای افزایش میـزان انتقال جرم هستند. افزودن میکـروذرات TiO2 بـه آب و هگزادکـان در جـذب گـاز [3]CO2، اسـتفاده از نـانو قطـرات نرمـال هگزادکان درجذب گاز اکسیژن[ 4]، اعمال میدانهای خارجی مانند میدان الکترومغناطیسی بر میکروذرات مغناطیسی در تانـک همزده [5] و افزودن نانوذرات به سیال پایه نمونههایی از کارهای انجامشده در ایـن راستاسـت. سوسپانسـیون تشـکیل شـده از نانوذرات نسبت به میکروذرات ضمن عدم کلوخهشدن از پایداری بیشتری برخوردار است.[6]
در حوزه انتقال جرم، اولین بار کریشنامورتی و همکارانش مشاهده کردنـد کـه نفـوذ رنـگ در حضـور نـانو ذره اکسـید آلومینیوم در محلول آب- اتانول نسب به آب سریعتر است.[7] در برج جذب حبابی، وانگیوکـیم و همکـارانش افـزایش جـذب CO2 در آب را در حضور نانوذرات SiO2 مشاهده کردند .[8]همچنین کیونگکیم و گروهش نشان دادند که در بـین نـانو ذرات Cu, CuO, Al2O3، بیشترین افزایش درسرعت جذب آمونیاک در محلول آبـی آمونیـاک بـه میـزان3/21 برابـر و مربـوط بـه نانوذرات Cu بود .[9]در برج دیواره مرطوب، کوماتی و سورش ،افزایش در ضریب انتقال جرم به میـزان 93درصـد را در جـذب کربن دی اکسید در متیل دی اتانول آمین مشاهده کردند.[10] بالراو نیز افزایش50-40 درصدی در ضریب انتقال جـرم مـایع (kL) را در حضور میدان مغناطیسی 50 Hz مشاهده کرد.[11]در راکتور همزن دار پارک و چو بـا افـزودن نـانو سـیال اکسـید سیلیسیم به محلول آبی دی اتیل آمین کاهش سرعت جذب دی اکسید کربن را گزارش کردند.[12] امـا اولـی بـا اسـتفاده از نانوسیالی شامل 1%V/Vاز نانوذرات Fe2O3 پوششداده شده با اسید اولئیک، ضریب انتقـال جـرم را در حـدود 1/6 مرتبـه و kLa را در حدود 6 برابر افزایش میدهد .[ 13] بطور کلی افزایش ضریب انتقال جرم فاز مـایع در دسـتگاه هـای مختلـف انتقـال جرم در حضور نانو ذرات، به نوع، اندازه و درصد حجمی نانو ذرات و دبی گاز وابسته است.[14]
مطالعات انجامشده در زمینه انتقال جرم در نانوسیالات بسیار کم و بیشتر مربوط به بـرج دیـواره مرطـوب و بـرجهـای جذب حبابی بوده و تنها در چند مورد از ظروف همزندار استفاده شدهاست. در اکثر این تحقیقات، جذب گاز کـربن دی اکسـید در نانوسیالات با پایه محلولهای آمینی و جذب گاز آمونیاک در نانوسیالات با پایه آب بررسی شدهاند کـه بـا جـذب شـیمیایی همراه هستند و تنها در چند مورد جذب فیزیکی گاز در نانوسیال با پایه آب گزارش شده است. از سوی دیگرجذب و دفـع گـاز کربن دی اکسید در آب در راکتورهای همزندار در سیستم های بیولوژیکی از اهمیت ویژهای برخوردار است و با افزایش ضریب انتقال جرم میتوان حجم این راکتورها را کاهش داد. بنابراین در این پژوهش برای اولین بار به بررسی اثرات نانو سـیال اکسـید آلومینیوم با پایه آب بر ضریب انتقال جرم در سامانه جذب کربن دی اکسید در یک راکتور همزن دار پرداخته شده است.
-2 مواد و روشها
برای تهیه نانوسیال، از نانوذره اکسید آلومینیوم -Al2O3 با اندازه ذره40 نانومتر ساخت شرکت پلاسـما کـم آلمـان1 وآب بدون یون به عنوان سیال پایه استفاده گردید. به وسیله همزن مکانیکی و دستگاه سونیکیتور نانوسیال پایدار گردید. جـذب گازکربن دی اکسید در یک راکتور همزندار از جنس شیشه پیرکس به ترتیب با قطـر و ارتفـاع 93/3 و 300 میلـیمتـر انجـام گردید. از دو پروانه راشتون شش پرهای از جنس فولاد زنگ نزن آستنیتی به ترتیب با قطر، ارتفاع و پهنای پـره4mm،6/32، 8 برای همزدن مایع با ارتفاع 200mm درون راکتور استفاده شد. نیرو محرکـه پروانـه توسـط الکتروموتـور دور متغییـر بـا ولتـاژ مستقیم DC تامین شد. سرعت پروانه توسط دورسنج نوری با دقت 1rpm اندازه گیری شد. تصویر کلی دستگاه آزمایشگاهی استفاده شده در شکل (1) ارائه شده است.گازکربن دی اکسید پس از اندازهگیری دبی آن و اشباع شدن از بخار آب بـا عبـور از برج ستون حبابی به صورت یک تغییر پلهای از یک نازل به قطر 2mm از زیر پروانه وارد راکتور حاوی سیال عاری از کربن دی اکسید می شد و با استفاده از دستگاه نمونه گیر طراحی شده در مسیر جریان برگشتی، در بازههای زمانی معـین از مـایع درون راکتور نمونهگرفته می شد. برای انجام آزمایش، فشار(محیط)، دمای سیال درون راکتور و دمای گاز ورودی به راکتور به ترتیـب برابر 610mmHg، 25 0/5 œC و25 1 œC تنظیم گردید. فرآیند دفع و احیا سیال درون راکتـور بـا اسـتفاده از گـاز نیتـروژن آزمایشگاهی انجام شد. از روش تیتراسیون غیر مستقیم برای اندازهگیری غلظت کربن دی اکسید موجود درفـاز مـایع اسـتفاده گردید. در این روش کلیه گونههای کربن دی اکسید در آب توسط محلول هیدروکسید سدیم بـه نمـک کربنـاتسـدیم تبـدیل گردید. سپس با تیتراسیون دو مرحلهای توسط محلول هیدروکلریک اسید استاندارد و شناساگرهای فنل فتالئین و متیل اورانـژ مقدار کربن دی اکسید جذب شده محاسبه گردید. از اسـید کلریـک 37 درصـد وزنـی سـاخت شـرکت مـرک آلمـان و سـدیم هیدروکسید با خلوص 99/5 درصد ساخت شرکت مرک آلمان برای تهیه محلولهای تیتراسیون استفاده گردید.
شکل -1 تصویر کلی دستگاه آزمایشگاهی استفاده شده
با نوشتن موازنه جرم کربن دی اکسید بر روی کل فاز مایع درون راکتور همزن دار رابطـه (1) بدسـت مـی آیـد کـه بـابرازش دادههای غلظت کربن دی اکسید در فاز مایع در زمانهای مختلف، میتوان ضریب انتقال جرم حجمی را بدست آورد.
(1)
×
در این رابطه kL ضریب انتقال جرم در فاز مایع، a سطح تماس ویژه، و غلظت کربن دی اکسـید بـه ترتیب در سطح تماس و توده(بالک) مایع و t زمان سپری شده2 می باشند. با فرض اینکه مقاومت انتقال جرم در سمت گـاز در
برابر سمت مایع ناچیز فرض گردد و در زمان آغاز فرآینـد جـذب غلظـت کـربن دی اکسـید در فـاز مـایع صـفر باشـد
( ) با انتگرال گیـری از رابطـه((1 رابطـه زیـر بدسـت مـی آیـد. شـیب منحنـی تغییـرات
بر حسب زمان t برابر ضریب انتقال جرم حجمی می باشد.
(2)
×
-3 نتایج:
.با افزایش غلظت نانوذرات در سیال پایه شیب خطوط و در نتیجه ضریب انتقال جرم حجمـی افـزایش یافتـه اسـت. در شکل 2، درصد اشباع شدن نانوسیال از گاز کربن دی اکسید بـر حسـب زمـان در سـرعت 1150 rpmو غلظـت هـای مختلـف نانوسیال ارائه شده است. نتایج نشان می دهد که فرض ورودی پلهای گاز به درون راکتور صحیح است و زمان لازم برای اشـباع شدن سیال درون راکتور با افزایش غلظت نانوذرات کاهش می یابد که بیانگر افزایش ضـریب انتقـال جـرم حجمـی بـا افـزایش غلظت نانو ذرات میباشد.
شکل :1 درصد اشباع شدن آب از گاز کربن دی اکسید بر حسب زمان
