بخشی از مقاله
خلاصه
برای افزایش تنش برشی روی سطح غشا و کاهش کیک رسوبی ، به منظور بالا بردن بازده فیلتراسیون غشایی و کاهش گرفتگی غشا، آرایش های مختلفی از غشاهای الیاف توخالی - hollow fiber - با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - ، طراحی شده اند. در این شبیه سازی، توزیع اندازه سرعت و فشار، و ارتباط بین توزیع تنش برشی روی سطح غشا و رشد کیک، در آرایش ها و متغیرهای عملیاتی مختلف از جمله گام عرضی،گام طولی و سرعت ورودی به کانال، در دو نوع آرایش مربعی - aligned - و مثلثی - staggered - مورد بررسی قرار گرفته شد.
نتایج نشان می دهند، با اینکه تنش برشی روی دیواره، در آرایش مربعی، تقریبا 2 برابر تنش برشی حاصله در آرایش مثلثی است، و احتمال آسیب دیدگی غشا وجود دارد، اما موجب ریزش کیک رسوبی شده و گرفتگی غشا را تا حدودی کاهش میدهد. همچنین نتایج نشان داد در های پایین، تغییر ضریب اصطکاک سطحی با افزایش ⁄ ، ناچیز می باشد؛ ولی در های بالا، افزایش ⁄ منجر به افزایش ضریب اصطکاک سطحی روی غشا می شود. همچنین کاهش ⁄ منجر به افزایش ضریب اصطکاک می شود.
.1 مقدمه
در سال های اخیر با افزایش سطح آگاهی اجتماعی، پیشگیری از آلودگی، بازیافت منابع و حفاظت انرژی، به مسائل حیاتی تبدیل شده اند. تکنولوژی جداسازی غشایی بطور گسترده برای جدا کردن دو فاز مایع-جامد در اکثر فرایندهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد. هرچند نمی توان از مشکل رسوب دهی روی سطح غشا اجتناب کرد، که باعث کاهش نرخ فیلتراسیون، کیفیت فیلتراسیون و زمان عملیاتی می شود.
بررسی کاهش رسوب یا تشکیل کیک، یک مرحله لازم و مهم برای بهینه سازی فرایند جداسازی غشایی است. پدیده گرفتگی - Fouling - سبب کندی جریان ، توقف خط تولید برای شستشو و تمیز کردن ، تخریب غشاها و دستگاه ها توسط شوینده های شیمیایی ، تهدید سلامت مصرف کنندگان ناشی از باقیمانده مواد شوینده درمحصول، آسیبهای زیست محیطی و بالاخره کاهش بهره وری و افزایش هزینه های تولید می گردد.
فیلتراسیون به دو صورت انجام پذیر است :
· جریان عمودی یا انتها بسته - dead end -
· جریان متقاطع - cross flow -
در حالت اول جریان سیال عمود بر سطح غشاء است و در حالت دوم، این جریان موازی سطح غشاء می باشد. در حالت انتها بسته، سیال به صورت عمودی به غشاء وارد شده و در حالی که ذرات موجود بزرگتر از اندازه حفره ها، در سطح غشاء باقی می مانند، جریان مایع از غشاء خارج می گردد. نیروی محرکه این عمل، اختلاف فشار در دو طرف غشا است که در اثر اعمال فشار به خوراک ورودی یا ایجاد مکش در طرف خروجی و یا هر دو حاصل می شود .
غشاهای الیاف توخالی - hollow fiber - در صنایع مختلفی از جمله : صنایع نیمه هادی، صنایع تخمیری، داروسازی ها، تصفیه پساب ها، صنایع فلزی و یونی، استخراج پروتئین و تقطیر اسمزی مورد استفاده قرار میگیرد. تکنولوژی غشاهای الیاف توخالی در جداسازی مایع-مایع و گاز-مایع بکار گرفته شده اند .
کارایی فیلتراسیون با غشاهای الیاف توخالی میتواند با استفاده از فرایند های مختلف افزایش یابد. مثلا میتوان از طریق پخش کردن هوا، تنش برشی به سیستم القا شود .[3,4] بهینه سازی در طراحی آرایش های مختلف، برای ایجاد تلاطم، به منظور کاهش ضخامت لایه مرزی و افزایش نرخ نفوذ، یک مساله مهم در صنایع می باشد.
آنالیز عددی شیوه ای است که میتواند تاثیر ساختار سیستم را در افزایش انتقال جرم نزدیک غشا را بررسی نماید. دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - ابزاری بسیار کارآمد و ارزان برای مطالعه توزیع سرعت و تنش برشی در سیستم فیلتراسیون می باشد.[5] مدل غشاهای الیاف توخالی با ساختار های متفاوت در شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی با مدل متلاطم k- قابل اجرا می باشد. بررسی کلی از اصول عملیاتی، ریاضیات مربوطه و برنامه های کاربردی غشاهای الیاف توخالی، توسط [6] ارائه شده است.
در این شبیه سازی، توزیع سرعت سیال، توزیع فشار و ارتباط بین توزیع تنش برشی روی سطح غشا و رشد کیک، در آرایش و شرایط عملیاتی مختلف مورد بررسی قرار گرفته شده است.
.2 هندسه مدل
در این شبیه سازی، غشاهای با قطر ثابت 0.5 mm ، در چیدمان های مربعی - aligned - و مثلثی - staggered - ، با پارامتر های موثر مختلف، طراحی و مورد مقایسه قرار گرفت. ابعاد کانال اصلی به ترتیب 100 ، 20 و 100 میلی متر در نظر گرفته شد - شکل - 1 ورودی جریان سیال از inlet و خروجی آن از outlet ، در جهت x می باشد، نحوه چیدمان مثلثی در شکل 2 و چیدمان مربعی در شکل 3 ترسیم شده است.
شکل– 1 طرحواره مدل شبیه سازی شده
شکل – 2 آرایش مثلثی در کانال فیلتراسیون
شکل– 3 آرایش مربعی در کانال فیلتراسیون
