بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
جذب گاز در یک ستون حبابی توسط نانوسیال اکسید آلومینیم
چکیده
در این پژوهش از نانوسیال - Al 2O3 با سیال پایه آب برای جذب گاز CO2 در یک ستون حبابی استفاده شده است. با توجه به قطبی بودن سیال پایه طراحی آزمایش به روش تاگوچی انجام گرفت تا اثر عواملی از جمله دبی گاز، غلظت نانوذره و شدت میدان مغناطیسی مورد بررسی قرار گیرد. تحلیل نتایج توسط نرم افزار minitab صورت گرفت. نتایج جدول تحلیل واریانس (ANOVA) نشان می دهد دو عامل دبی گاز و غلظت نانوذره جزء عوامل مهم تأثیرگذار بر جذب هستند و وجود میدان مغناطیسی خارجی به مقدار غیرقابل توجهی سبب افزایش ضریب انتقال جرم حجمی می شود و عامل مهمی تلقی نمیشود. بیشترین ضریب انتقال جرم حجمی را در غلظت بهینه 0.005%V، دبی 0.35lit/min و شدت میدان مغناطیسی787 Guss با 27.8% افزایش داشتیم.
واژههای کلیدی : نانوسیال اکسیدآلومینیم، انتقال جرم، جذب گاز CO2 ، برج حبابی
.1مقدمه
در نتیجه فعالیت انسان، تقریبا هرساله 7گیگا تن کربن به اتمسفر زمین نشر مییابد. قسمت زیادی از این کربن به فرم گاز CO2 هستند و تقریبا %30 از این CO2 از نیروگاه های با سوخت فسیلی حاصل میشوند. به علاوه با بالارفتن سطح CO2 اتمسفر، دمای زمین افزایش مییابد.[1] گرم شدن کرهی زمین، خوردگی تجهیزات و پوسیدگی لولهها در خطوط انتقال از جمله مهم-ترین مسائل محیطی هستند که در نتیجهی افزایش دیاکسیدکربن بشر با آن روبرو شده است.[2] امروزه کاهش نشر گاز CO2 بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به پروتکل کیوتو بسیاری از کشورها اهداف خود را با تکیه بر کاهش نشر CO2 تنظیم کردهاند.[ 3 ] روشهای حذف گاز CO2 عبارتند از : جذب، جذب سطحی، استفاده از غشاها، روش برودتی و حلقه های شیمیایی و ... . تاکنون روشهای استفاده از غشا، روش برودتی، حلقههای شیمیایی و ... در مرحله عملی گسترش نیافتهاند و روشهای جذب و جذب سطحی بیشترین استفاده را داشتهاند، اگرچه روش جذب سطحی انرژی زیادی را برای عمل واجذبی نیاز دارد و برای سیستمهای با مقیاس بزرگ مناسب نمیباشد.[4] جذب گاز فرایندی است که طی آن یک مخلوط گازی جهت جداسازی در تماس با یک حلال مایع قرار می گیرد تا یک یا تعداد بیشتری از سازندههای آن از محلول گازی جدا شود.[5] مبنای روش جداسازی به طریق جذب گاز انتقال جرم بین فازهاست . بر مبنای این تحلیل جزء جداشونده در فصل مشترک دو فاز و با سازوکار نفوذ مولکولی انتقال می یابد. در واقع در این روش یک یا چند جزء از تودهی فاز گاز به سمت فصل مشترک گاز و مایع نفوذ کرده و پس از وارد شدن به فاز حلال به سمت تودهی مایع حرکت میکنند.[6]
روشهای مختلفی به منظور افزایش بازده فرایند جذب از گاز توسعه پیدا کرده است:
بااصلاح کردن شکل، سطح و ساختار سیستم می توان بازده را بهبود بخشید.
الگوهای جریان نظیر فیلم ریزان و حبابی در این دسته قرار میگیرند. کنگ و همکاران[7] بازده جذب سیستم آب- آمونیاک را برای فیلم ریزان و حبابی مورد بررسی قرار دادند و گزارش کردند که اندازهی جذب کنندهی حبابی میتواند تا %48,7 از جذب کنندهی فیلم ریزان کوچکتر باشد.
بااضافه کردن انواع سورفکتانتها و نانوذرات به سیال پایه می توان بازده جذب را بهبود بخشید.
این مواد را با هدف افزایش بازده انتقال حرارت و انتقال جرم میافزایند. این مواد با ایجاد تلاطم در لایهی مرزی منجر به افزایش بازده انتقال حرارت و انتقال جرم میگردند.
اخیرا تحقیقات زیادی در زمینه نانوتکنولوژی و به ویژه در حوضه نانوسیال انجام شده است. نانو سیال به عنوان سیالی که نانوذرات در قطرهای زیر 100 نانومتر به صورت پایدار در سیال پایه معلق هستند، تعریف میشود. نانوسیال دوتایی به عنوان سیالی تعریف میشود که سیال پایه یک مخلوط دوتایی مانند آب و آمونیاک است.[8] نانوسیال نه تنها میتواند مشکلاتی نظیر ته نشینی و خوردگی که به طور پیوسته در مخلوطهای هتروژن مایع/جامد با ذرات میکرومتری و میلیمتری اتفاق میافتد را حل کند بلکه باعث افزایش قابل توجه عملکرد گرمایی سیالهای پایه میشود. نانوتکنولوژی برای سیستمهای جذب در افزایش عملکرد انتقال حرارت و انتقال جرم میتواند به کار گرفته شود .[3] از نانوسیال ابتدا برای افزایش انتقال حرارت توسط چوی در سال 1995 استفاده شد. چوی گزارش کرد[9] که ضریب حرارتی سیال پایه تا 40 درصد با افزودن نانوذرات و نانوتیوپها افزایش مییابد. کیم و همکاران[10] از تکنولوژی نانو برای بهبود جذب در سیستم آّب – آمونیاک استفاده کردند. آنها از جذب کننده ی حبابی استفاده کردند و ذراتی در مقیاس نانو را به سیال اضافه نمودند. غلظتهای ابتدایی آب – آمونیاک، غلظت نانوسیال و نوع نانوذرات به عنوان پارامترهای کلیدی در نظر گرفته شدند. آنها دریافتند که نرخ جذب در همهی غلظتها و در همهی نانوذرات Al2O3 ) وCu و (CuO بیش از حالت پایه است و نرخ جذب، با افزایش درصد وزنی نانوذره افزایش مییابد و نیز نرخ برای نانو ذره 50) Cu نانومتر) بیش از 47) CuO نانومتر) و 33) Al 2 O3نانومتر) است. اوله و همکاران [11] میزان جذب اکسیژن را در حضور نانوذرات مغناطیسی((Fe3O4 پوشانده شده با اسید اولئیک و سورفکتانتهای پلیمری اندازه گیری کردند. این سیالها میزان انتقال جرم اکسیژن را در درصدهای حجمی کمتر از %1 نانوذرات در یک راکتور همزندار، 6 برابر افزایش دادند. آنها دریافتند که ضریب انتقال جرم (KL) و سطح مشترک گاز – مایع (a) در حضور نانوذرات، با افزایش غلظت نانوسیال و شدت دور همزن افزایش مییابد. لی و همکاران [12] با استفاده از نانوذرات SiO2 و Al2O3 در سیال پایه متانول،جذب CO2 را افزایش دادند. آزمایش در یک جذب کننده حبابی انجام شد که مقدار ورود و خروج گاز به ترتیب توسطMFC و MFM اندازه گیری شد و از روی اختلاف این دادهها مقدار جذب بدست میآمد. آنها دریافتند که شدت جذب CO2 در 0.01 درصد حجمی Al2O3/methanol تا % 4.5 در دمای 20 درجه سانتیگراد افزایش مییابد و در دردمای -20 درجه سانتیگراد برای نانوسیال SiO2/methanol در درصدحجمی 0.01 تا %5.6 افزایش جذب داشتهاند. کیم و همکاران [3 ] با استفاده از نانوسیال SiO2 / H2O در یک جذب کنندهی حبابی عوامل موثر بر جذب CO2 را مورد بررسی قرار دادند. آنها علاوه بر بررسی میزان غلظت نانوذره ،سایز آن را نیز مورد بررسی قرار دادند. از نتایج بدست آمده دریافتند که در یک دقیقه اول میزان جذب %76 نسبت به آب خالص افزایش یافته و در کل %24 افزایش جذب داشتهاند. ریچرت و همکاران [13] اثر ذرات مغناطیسی معلق در فاز مایع را در حضور میدان مغناطیسی متناوب بر فرآیند انتقال جرم، در یک تانک همزده مورد بررسی قرار دادند. پارامترهای متغیر در آزمایش های آنها سرعت همزن و شدت میدان مغناطیسی بود. آنها توانستند به افزایش جذب %20 در ضربی انتقال جرم دست یابند. سورش و همکاران[14] تأثیر میدان مغناطیسی را بر روی سیال مغناطیسی مورد بررسی قرار دادند. اعمال میدان آنها به این دلیل بود که بتوانند رفتار ذرات مغناطیسی را در فیلم نفوذ کنترل کرده و ایجاد یک اختلاط هر چند جزئی در این ناحیه نمایند. آنها به افزایش %40-50 در KL در یک برج جداره مرطوب هنگامی که میدان مغناطیسی متناوبی با فرکانس 50 هرتز به سیستم اعمال کردند، دست یافتن. کنگ و همکاران[15] نرخ جذب بخار و نرخ انتقال حرارت را در فیلم ریزان نانوسیال دوتایی اندازه گیری کردند که در شرایط پایداری مطلوب و بدون رسوب گذاری، هدایت گرمایی موثر به طور قابل توجهی افزایش مییابد. نانوسیال دوتایی به کار گرفته شده، شامل محلول LiBr/ H2O و نانوذرات آهن و نانوتیوبهای کربنی باشد. نتایجی که این گروه بدست آوردند به این صورت است که با افزایش نرخ جریان جرمی محلول و غلظت نانوذرات Fe و CNT، نرخ جذب بخار افزایش مییابد . همچنین نرخ انتقال حرارت بیشتر تحت تأثیر نرخ جریان جرمی محلول قرار دارد. با مقایسه مشاهدات چنین دریافت شد که افزایش انتقال جرم بسیار بیشتر از افزایش انتقال حرارت است. افزایش انتقال جرم برای نانو تیوبهای کربنی برای غلظتهای 0.01 درصد وزنی و 0.1 درصد وزنی به طور متوسط 2.16 و 2.48 بدست آمد. فاکتور افزایش در این غلظتها برای نانوذرات آهن به ترتیب 1.71 و 1.9 بدست آمد. بنابراین نانو تیوبهای کربنی در مقایسه با نانوذرات آهن، بهتر عمل میکنند. ما و همکاران[16] میزان انتقال حرارت و انتقال جرم را در فرآیند جذب حبابی آب – آمونیاک با استفاده از نانوسیال دوتایی آمونیاک – نانولولههای کربنی به عنوان محیط کاری بررسی کردند. با استفاده از اصلاح سطح نانولولههای کربنی، نانوسیال دوتایی آمونیاک – نانولولههای کربنی به آسانی بدون اضافه کردن هرگونه پخش کننده تهیه میشود. اثرات درصد جرمی نانولوله های کربنی، غلظت اولیه آمونیاک در نانوسیال دوتایی و شدت جریان بخار آمونیاک روی جذب حبابی آمونیاک – آب با انجام آزمایش ها مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که شدت جذب با افزایش غلظت نانولولهها افزایش مییابد. نیو و همکاران[17] تأثیر میدان مغناطیسی با شدت جریانهای مختلف را بر روی جذب آمونیاک – آب در برج جداره مرطوب مورد مطالعه و بررسی قرار دادند. آنها میدان مغناطیسی را در دو جهت همسو با فیلم ریزان و خلاف جهت فیلم ریزان، اعمال کردند. علاوه بر آن، آنها تغییر پارامترهای عملیاتی را بر میزان جذب بررسی کرده و مقدار بهینهای برای هر یک بدست آوردند. نت ایج کار حاکی از آن بود که غلظت محلول آب – آمونیاک خروجی، دمای خروجی آب خننک کننده و میزان انتقال جرم و حرارت در حضور میدان مغناطیسی در هم جهت با فیلم ریزان نسبت به حالتی که میدان اعمال نشده است، افزایش داشته و تمام این پارامترها در حضور میدان مغناطیسی در خلاف جهت فیلم ریزان کاهش یافته است.
هدف ما در این تحقیق بررسی اثر دبی گاز در سامانه حبابی و غلظت نانوسیال و شدت میدان مغناطیسی (با توجه به قطبی بودن سیال پایه) بر ضریب انتقال جرم حجمی میباشد.
.2 مواد و روشها
.1,2 دستگاه آزمایش
دستگاه ساخته شده برای انجام آزمایش ها که در شکل نشان داده شده است، شامل موارد زیر است : - یک ستون شیشهای با قطر 4 سانتیمتر و ارتفاع 20 سانتیمتر می باشد که که فرآیند جذب در این محفظه انجام میگیرد. - یک توزیعکننده گاز با قطر 6/5 میلیمتر که دارای 8 مدخل با قطر0/4 میلیمتر است و در فواصل برابر قرار دارند. – استوانهای با قطر 5/5 سانتیمتر که در اطراف محفظه جذب قرار دارد و زمان اعمال میدان مغناطیسی آب سرد به آن وارد می شود تا از افزایش دمای سیال جلوگیری کند. -کپسول گاز - CO 2 فلومتر گاز - دماسنج به منظور اندازهگیری دمای سیال داخل ستون - میدان مغناطیسی (یک سیملوله با 55 لایه که در هر لایه 90دور وجود دارد و قطر سیم 0/85 میلیمتر و قطرحلقه 6/5 سانتیمتر میباشد) - آمپرسنج - منبع تغذیه.
نانوذرات اکسید آلومینیم از شرکت nanoamor آمریکا خریداری شده و به صورت غیر مستقیم با غلظتهای مورد نظر به نانوسیال تبدیل شدند. متوسط قطر نانوذرات 80 نانومتر و دانسیته آن میباشد. با توجه به اینکه غلظت گاز CO2 درون سیال توسط تیتراسیون اسید و باز مشخص میگردد، هیدروکسید سدیم و هیدروکلریک اسید و شناساگرهای رنگی (فنل فتالئین و متیل اورانژ) از شرکت مرک آلمان تهیه شدند.
.3,2 روابط ضریب انتقال جرم در یک ستون حبابی
طبق رابطهی اثبات شده در کتاب تریبال براساس تئوری دوفیلم میتوان نوشت :
که m در این رابطه شیب منحنی تعادلی جزء جداشونده در فاز گاز نسبت به فاز مایع، ضریب انتقال جرم در فاز گاز،
ضریب انتقال جرم در فاز مایع و ضریب کلی انتقال جرم میباشد. در دو حالت میتوان از مقاومت انتقال جرم در فاز گاز صرف نظر نمود. در صورتی که از گاز خالص استفاده شود ضمن افزایش ضریب انتقال جرم در فاز گاز، مقاومت انتقال
جرم در این فاز صفر می گردد. همچنین در حالتی که انحلال جزء جداشونده در مایع کم باشد پارامتر m زیاد شده و لذا مقاومت انتقال جرم در فاز گاز به صفر میل میکند.
در شرایطی که مقاومت انتقال جرم در فاز گاز بسیار اندک باشد ضریب کلی انتقال جرم با ضریب انتقال جرم در فاز مایع برابر
می شود. با اعمال معادلهی بقای جرم بر روی فاز مایع خواهیم داشت :
غلظت اشباع گاز CO2 ، غلظت گاز در لحظه قبل از شروع آزمایش و غلظت گاز در سیال در هر لحظه می باشد. در رابطه 2 ازسطح ویژه به ازای واحد حجم مایع استفاده شده است. علت استفاده از این کمیت به جای
سطح ویژه به ازای واحد حجم ستون یا مخزن( )، سهولت استفاده از در موارد کاربردی بدون نیاز به پیشبینی ماندگی
فاز گاز است. شار انتقال جرم از رابطه (3) قابل محاسبه است.
.4,2 طراحی آزمایشها در این پژوهش از روش تاگوچی برای طراحی آزمایش ها استفاده شد این روش ابزار قدرتمندی به نام تحلیل
واریانس (ANOVA) برای تحلیل نتایج دارد که مزایای آن عبارتند از :- تعیین میزان تأثیر هر فاکتور با ترتیب اولویت اثرگذاری
آنها – تعیین میزان خطا – شناسایی فاکتورهای مهم. از نرم افزار minitab برای طراحی آزمایشها و تحلیل نتایج استفاده شد. با توجه به اینکه ما سه فاکتور با سه سطح داریم جدولی با 9 آزمایش ارائه می شود. نتایج به صورت نمودار و جدول در ادامه آورده شده است.
.5,2 نحوه انجام آزمایش
برای تهیه نانوسیال اکسید آلومینیم با حجم پایه V، با غلظت C، مقدار نانوذره مورد نیاز به جرم M از رابطه (4) بدست میآید.
در این پژوهش از روش دو مرحلهای برای ساخت نانوسیال استفاده شد. برای ساخت نانوسیال با غلظت مشخص، ابتدا مقدار مشخصی از نانوذره با ترازو وزن شده و سپس به سیال پایه که در اینجا آب بدون یون است، افزوده میشود. به منظور جلوگیری از به هم چسبیدن نانوذرات هنگام اضافه شدن به سیال پایه، نا نوذرات را به چند قسمت تقسیم کرده و در هر مرحله هنگام ورود نانوذره به سیال پایه از همزن مکانیکی به مدت 15 دقیقه استفاده شد و سپس به مدت نیم ساعت توسط دستگاه التراسونیک تحت نوسانات مافوق صوت قرار گرفت. نانوسیال آماده شده به داخل ستون حبابی منتقل شده وگاز با عبور از فلومتر تنظیم شده بر دبی مورد نظر از پایین ستون وارد میشود. از زمان ورود کرونومتر زده می شود و با توجه به رابطه (2) برای بدست آوردن ضریب انتقال جرم حجمی باید در فواصل زمانی غلظت گاز درون نانوسیال اندازهگیری شود.
.3 بحث و نتایج
طبق طراحی آزمایش صورت گرفته به روش تاگوچی به منظور بررسی اثر سه پارامتر دبی گاز، غلظت نانوسیال و شدت میدان مغناطیسی، آزمایشها در سطوح تعیین شده انجام شد و نتایج آنها در جدول (1) و شکل (2) قابل مشاهده است.
