بخشی از مقاله
چکیده:
طی دهههای اخیر بخش مهمی از نیازهای صنعتی به مواد خالص با به کارگیری ادوات غشائی میشده است. در این میان غشاهای قاب فلزی آلی - MOF - نیز یکی از موارد نوین است که اغلب برای تفکیک دی اکسید کربن از گاز طبیعی به کار رفته است. پژوهشگران برای مدلسازی فرآیند انتقال جرم از عمق تا سطح غشاء در اینگونه ماژولها از معادلات ماکسول و لانگمویر به طور همزمان بهره بردهاند. از آنجا که طی فرایند جداسازی غشائی سرعت سیال در سطح غشاء به خاطر پدیده تغلیظ و ایجاد کیک پشت حفرات غشاء کاهش مییابد. برای مساله مدلسازی باید ابتدا پروفایل سرعت سیال به طریق کامپیوتری تعیین گردد. در این مطالعه اثرات کمی ناشی از تغییر شرایط مختلف عملیاتی مثلا در قالب عدد Re روی نحوه تشکیل و ضخامت لایه مرزی پلاریزاسیون غلظتی در یک غشاء استوانهای با جریان متعامد با نوشتن برنامه کامپیوتری حاکم بر معادلات مدل که همان حل همزمان معادله ناویراستوکس و قانون دوم فیک میباشد. حل این معادلات در دو بعد مختصاتی و به روش تفاضلات محدود انجام شد. نتایج حاصل از حل معادلات مدل با پیش بینی سایر محققین در مطالعات پیشین انطباق خو بی دارد.
واژه های کلیدی: جداسازی، گاز طبیعی، دی اکسید کربن، مدلسازی، غشاء Metal organic - MOF
.1مقدمه
1در سال های اخیر غشاها و تکنیک های جداسازی غشایی از مقیاس آزمایشگاهی به فرآیند های صنعتی رشد و گسترش پیداکرده اند. مهمترین مشخصه غشاها توانایی آنها در کنترل نرخ تراوش عناصر و ترکیبات مختلف شیمیایی می باشد. از دیدگاه انرژی و محیط زیست، غنی سازی و جدا سازی دی اکسید کربن ازتولید برق ،عملیات های صنعتی و گاز طبیعی موضوع بسیار مفیدی می باشد.از مشخصه های گاز طبیعی داخل خطوط لوله این است که غلظت CO2 به کمتر از2-3٪ برسد. CO2 باید از CH4 جدا شود زیرا مقدار انرژی گاز را کاهش می دهد و همچنین شرایط اسیدی و خورندگی را در حضور آب ایجاد می نماید.علاوه بر این حذف CO2 بدون صرف هزینه انرژی زیاد مد نظر است.
بنابراین غشاها، CO2 را به صورت ترجیحی در یک قدرت انتخاب بالا می توانند به صورت ویژه، در سطح گسترده ای با کاهش هزینه خالص سازی از گاز طبیعی جداسازی نمایند. تکنولوژی پایه استفاده شده برای حذف CO2 جذب توسط آمین است اما واحدهای صنعتی آمین از چندین مشکل رنج می برند. اولین مورد قیمت بالای آن است، دوم عملیات در این واحد های صنعتی پیچیده است و سوم تعمیر و نگهداری آن گران است و زحمت زیادی دارد. حذف CO2 از گاز سوختی و چاه های گاز طبیعی و قبل از احتراق، عملیاتی با حجمی عظیم می باشد. در این رابطه تکنولوژی غشاء می تواند نقش کلیدی در ایجاد این فرایند اقتصادی ممکن ایفاء می نماید. فرایندهای جداسازی با غشاء چندین مزیت بر روش متداول جذب توسط آمین دارد.
به عنوان مثال یک روش صرفه جویی برای ذخیره انرژی است، از آنجایی که شامل هیچ تغییر فازی نیست بنابراین تجهیزات مورد نیاز فرایندهای غشایی برای عملیات، کنترل و مقیاس بالا ساده و راحت می باشد.قابهای آلی فلزی - MOF - در فرم غشاء، به عنوان یک نوع جذاب از مواد متخلخل بلوری که ترکیبی از خواص بسیار مطلوب، مانند تخلخل یکنواخت، مساحت سطح بالا و پایداری حرارتی و شیمیایی استثنایی است و آنها را کاندیدای ایده آل برای جداسازی گاز CO2 می کند.در شکل 1 عمکرد جداسازی دوفاز را در یک غشاء میتوان مشاهده نمود. بدین ترتیب جریان خوراک پس از تماس با غشاء به دو جریان مجزا تقسیم می شود.
الف - جریان تراوش یافته که جریانی است که از میان غشاء عبور می کند.
ب - جریان دفع شده یا باقی مانده که جریانی است از غشاء عبور نکرده و از آن دفع می شود.
بطور کلی عامل این نقل و انتقال مواد هماناختلاف پتانسیل شیمیایی است که این اختلاف پتانسیل می تواند از طریق اختلاف فشار هیدرواستاتیکی، غلظت، دما و یا پتانسیل الکتریکی ایجاد شود.یک غشاء می تواند همگن یا نا همگن ، متقارن یا نام تقارن - از نظر ساختار - ، جامد یا مایع ، ممکن است خنثی یا حامل بار های منفی، مثبت و یا دو قطبی باشد.
غشاء MOF برای جداسازی
MOF MOF ها شامل کاتیون های فلزی یا خوشه های مبتنی بر فلز که به وسیله مولکول های آلی متصل شده و تشکیل شبکه کریستالی را می دهد که پس از حذف ذرات خارجی ممکن است ساختار سه بعدی با تخلخل پایدار ایجاد نماید. قاب های آلی فلزی مواد کریستالی هستند که می توانند برای کاربرد های ویژه ای از طریق تغییر فلزات، لیگاند ها و اتصال دهنده های تشکیل دهنده آنها بکار روند وتعداد کاربرد های آن تقریبا بی حد و حصر می باشد. آنها را می توان ارزان ، نسبتا راحت، در خلوص بالا، و در یک فرم بسیار کریستالی سنتز و تولید کرد - . - MacGillivray 2010این مواد طیف بسیار گسترده از اندازه منفذ نسبت به زئولیت را پوشش می دهند ، حتی به مواد میکرو تخلخل و مزو تخلخل پل می زنند.
ترکیبی از بلوک های ساختمانی آلی و معدنی است که بیشترین تعداد نامحدود از تنوع، انعطاف پذیری زیاد در اندازه منفذ، شکل، و ساختار، و فرصت های بی شماری برای عاملدار کردن وپیوند زدن ارائه می دهد. Error> Reference source not2found. نمایش معمولی اجزا و ساختار نهایی یک MOF را نشان می دهد - . - Venna and Carreon 2015Carreon،بسیاری از انواع غشاء های MOF بطور تجربی برای جداسازی ،مانند سری - McCarthy, Varela-Guerrero et al. 2010 - ZIF، MOF-5 ، SIM-1 مورد مطالعه قرار گرفته است - Li, Haas-Santo et. - al. 2015 بر خلاف جداسازی H2، جداسازی عمدتا بر اساس جذب ترجیحی است، از آن جا که با توجه به اندازه های مشابهبا N2 و CH4 جداسازی با غربال مولکولی، بسیار چالش برانگیز است - Ranjan and Tsapatsis 2009 - جذب ترجیحی در ساختارMOF به طور موثر می تواند حمل و نقل گازهای دیگر را مسدودکند.
مزایای سایت های جذب قوی و تخلخل برتر در غشاء MOFباعث نفوذ پذیری بالای در محدوده - mol/ - m2 sPa - گردیده است، که تا حد زیادی عملکرد بهتری نسبت به انواع دیگر غشاء میکرو تخلخل معدنی دارد . با این حال، گزینش پذیری / و / با غشاء MOF بین 3 و 15 است، که هنوزهم زیر مقدار حد بالای طرح رابسون - ها venna و - 2015 گزارش شده است.به طور کلی از انجا تقریبا گزینش پذیری و تراوایی یکسانی در انواع ماژول های جداسازی دیده می شود، هزینه های ساخت ماژول غشاهای معدنی و زئولیتی و سرامیکی در فرایند جداسازی انتخابی دی اکسید کربن از گاز طبیعی عامل دارای اولویت تری می باشد در انتخاب نوع سیستم غشایی به کار گرفتنی در این نوع فرایندها.لذا بر اساس این توضیح غشاهای MOF برای اهداف جداسازی دی اکسید کربن از گاز بکار گرفته شده است.
با توجه به جذب بالا و قابل توجه، ساختار قاب متخلخل باز با حجم بالای منافذ قابل دسترس ، پایداری شیمیایی در حضور هیدروکربن ها و آب - بعضی از آنها - ، و محدود کردن دهانه های منافذ در محدوده قطر جنبشی چندمولکول گاز مربوطه، MOFرا از مواد بسیار جذاب برای جذب کرده است. ظرفیت جذب چند نوع MOF نسبت به غشاءزئولیت در Error> Reference source not found. نشان دادهشده است . به طور خاص، قابهای ایمیدازولات زئولیتی - ZIFs - ، یک زیر بخش از MOF، به عنوان نوع جدیدی از مواد متخلخل بلوری است که ترکیب خواص بسیار مطلوب از هر دو نوع غشاء زئولیت و MOF، مانند ریزبودن حفره ها، مساحت سطح بالا و پایداری حرارتی و شیمیایی استثنایی ، آنها را کاندید ایده آل برای کاربردهای جداسازی گاز کرده است - . - Park, Ni et al. 2006
.2 معادلات حاکم بر مدل و حل آنها با MATLAB
مدل جدایی CO2 از مخلوط گاز با غلظت های مختلف برای سه محفظه - اتاقک - 2 به صورت جداگانه توسعه یافته است. سپس، برای هر اتاقک معادلات حمل و نقل با شرایط مرزی خاص مجزا به صورت جداگانه حل گردید. در اتاقک اول، مخلوط گاز، به علت تغییر در اندازه لوله ورودی به طور ناگهانی گسترش می یابد - شکل . - 3 پیش بینی می شود که معادلات ناویه استوکس حدود مشخصات سرعت گاز به خصوص در سطح غشاء و جریان برگشتی
