بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی در این تحقیق، مدل سازی جذب دی اکسید کربن از مخلوط گازی CO2/CH4 توسط حلال آلکانول آمینی مونواتانول آمین - MEA - در تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی پروپیلن می باشد. در این مدل، شرایط غشای نیمه مرطوب در نظر گرفته شده است که در آن حلال بخشی از منافذ غشاء را پر می کند. شبیه سازی فرآیند انتقال جرم جذب گاز بر اساس آنالیز المان محدود توسط نرم افزار کامسول برای به دست آوردن توزیع غلظت دی اکسید کربن انجام شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که میزان جداسازی دی اکسید کربن با افزایش طول غشاء افزایش می یابد، در حالی که افزایش دبی جریان گاز و درصد خیس شدگی غشاء باعث کاهش میزان جداسازی شده است. مدل ارائه شده توافق خوبی را با نتایج تجربی برای بازدهی دی اکسید کربن در مقادیر مختلف شدت جریان مایع نشان داده است.
واژگان کلیدی: مدل سازی، جذب دی اکسید کربن، حلال آلکانول آمینی، تماس دهندهی غشائی الیاف توخالی، شبیه سازی، انتقال جرم، کامسول.
-1مقدمه و مبانی نظری
حدود 80 گازهای گلخانه ای را دی اکسید کربن تشکیل می دهد. عمده ترین منابع انتشار این گاز، از سوختن سوخت های فسیلی، گاز طبیعی، گازهای خروجی از پالایشگاه ها است. امروزه تقریباً 90 فرآیندها در جداسازی گازها، از حلال های آلکانول آمینی به دلیل تنوع و توانایی آن ها برای حذف گازهای اسیدی به درجات خیلی پایین استفاده می کنند.با این وجود، این فرآیندهای جذب شیمیایی سنتی دارای نقاط ضعفی مانند طغیان، کف کنندگی، ماندگی، هزینه های اولیه و عملیاتی بسیار زیاد می باشند. محققین بسیاری تماس دهنده های غشائی الیاف توخالی 1را به عنوان تکنولوژی جدید جداسازی گاز پیشنهاد داده اند.
تماس دهنده های غشائی به گونه ای می باشند که امکان تماس مستقیم دو سیال با یکدیگر به منظور انتقال جرم، بدون پراکندگی در یکدیگر را فراهم می کنند و دارای سطح تماس بالا به ازای واحد حجم تماس دهنده می باشند. گانگ و همکارانش در سال 2006 بر روی جذب دی اکسید کربن از مخلوط نیتروژن-دی اکسید کربن در تماس دهنده ی غشایی الیاف توخالی با استفاده از محلول مونواتانول آمین/ متیل دی اتانول آمین - MEA/MDEA - و آب مقطر تحقیق کردند. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که شار جذب دی اکسید کربن و درصد جداسازی، با افزایش مقدار MEA در آمین ترکیبی و هم چنین افزایش شدت جریان مایع افزایش می یابد. شیرازیان و همکارانش در سال 2009 شبیه سازی انتقال جرم در تماس دهنده ی غشایی الیاف توخالی برای شرایط جریان آرام را بررسی کردند. نتایج برای جذب فیزیکی دی اکسید کربن در آب خالص نشان داد که جداسازی دی اکسید کربن با افزایش سرعت مایع افزایش می یابد.
از طرف دیگر، افزایش دما و شدت جریان گاز تأثیر معکوس خواهد داشت. ژانگ و همکارانش در سال 2014 جذب شیمیایی دی اکسید کربن از مخلوط گازی دی اکسید کربن-نیتروژن توسط تماس دهنده ی غشایی الیاف توخالی با استفاده از ترکیب MDEA و PZEA را بررسی کردند . نتایج شبیه سازی نشان می دهد که افزایش تعداد الیاف ها و نسبت تخلخل به انحنا تاًثیر مثبت بر روی جذب دی اکسید کربن دارد. در این مطالعه، مدل سازی ریاضی جذب دی اکسید کربن از متان در تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی بررسی شده است. هدف این مطالعه، استفاده از مدل انتقال جرم برای سیستم CO2-MEA در شرایط غشای نیمه مرطوب پروپیلن برای مشاهده تاًثیر ساختار غشاء و پارامترهای عملیاتی نظیر - طول غشاء، دبی جریان گاز - می باشد
.[1-6,7,8]
-2روش و مراحل تحقیق
در این مطالعه، یک مدل ریاضی دو بعدی برای انتقال دی اکسید کربن از طریق تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی ارائه شده است. جداسازی CO2 از CH4 توسط حلال MEA به عنوان جاذب، مورد مطالعه قرار گرفته است. مطابق شکل - 1 - تماس دهنده ی غشائی شامل سه قسمت می باشد: لوله، غشاء و پوسته. مخلوط گازی از سمت پوسته وارد می شود - - Z=L، در حالیکه جاذب در قسمت لوله جریان می یابد - . - Z=0 مدل سازی بر اساس فرضیات زیر می باشد:
-1 شرایط پایا و دما ثابت می باشد.
-2 جریان برای فازهای گاز و مایع در تماس دهنده ی غشایی، آرام می باشد.
-3 پروفایل سرعت برای فاز گاز در پوسته و برای فاز مایع در لوله، به طور کامل گسترش یافته است.
-4 در سطح تماس گاز و مایع، قانون هنری برقرار است.
-5 گاز ایده ال فرض شده است.[9,10]
1-2 معادلات حاکم در بخش لوله:
مکانیسم های انتقال CO2 و جاذب درون لوله، به دلیل نفوذ، جا به جایی و واکنش شیمیایی می باشند. تحت شرایط پایا و سیستم دو بعدی و صرفنظر از جا به جایی در جهت r ، معادله برای قسمت لوله به صورت زیر نوشته می شود:
توزیع سرعت در لوله به صورت جریان آرام نیوتنی فرض شده است:
شرایط مرزی به صورت زیر می باشند:
2-2 معادلات حاکم در بخش غشاء:
قسمت مرطوب غشاء : - mem 1 -
شرایط مرزی به صورت زیر می باشد:
قسمت خشک غشاء : - mem-2 -
