بخشی از مقاله
چکیده
بازده بالای میکروکانالها به دلیل وجود سطح تماس بالا و کاهش عمق نفوذ، سبب افزایش استفاده از آنها در سیستمهای آزمایشگاهی و حتی صنعتی در قالب میکرو راکتورها و میکرو میکسرها و غیره شده است. در این تحقیق انتقال ذره با غلظت کم از طریق نفوذ مولکولی بین دو سیال با غلظتهای متفاوت از ماده حل شونده با استفاده از نرم افزار کامسول شبیه سازی میشود.
فیزیک مورد استفاده در این شبیه سازی Transported diluted species و laminar flow می باشد. کانتورهای بدست آمده از جمله سرعت و غلظت نشان از دقت بالای نرم افزار در شبیه سازی دارد. این شبیهسازی برای هندسههای مختلف - Yشکل و Tشکل و semi-h شکل - و جزء انتقال دهنده با ضریب نفوذ متفاوت - 1*10 -10 - m2/sو 1*10-11 انجام می شود.
نکات برجسته پژوهش
· بالا بودن نسبت سطح به حجم در میکروکانالها سبب کاهش عمق نفوذ می شود.
· انتقال جزء با ضریب نفوذ مختلف میان حلال - آب - با غلظت های مختلف از ماده حل شونده بررسی می شود.
· کانتورهای سرعت و غلظت بدست آمده حاکی از دقت بالای نرم افزار برای شبیه سازی دارد.
-1 مقدمه
مطالعات صورت گرفته در سالهای اخیر نشان میدهد که استفاده از میکرو راکتورها افزایش چشمگیری در زمینه فرایندهای صنعتی شیمیایی داشته است. مزایا زیاد این دسته از راکتورها مانند کوتاهی مسیر انتقال در میکروکانال، امکان انجام واکنشهای مربوط به مواد شیمیایی سمی، انتقال حرارت زیاد و همچنین نیاز به مقدار کم سیال خنککننده منجر به توسعه کاربرد میکروکانالها شده است
یکی از اصلیترین مشخصات میکروراکتورها نسبت بالای سطح به حجم آنها است، بدیهی است کوچک شدن اندازه راکتورها کمک شایانی به افزایش بازدهی واحدهای صنعتی، کاهش مصرف انرژی و هزینه عملیاتی مینماید
استفاده از میکروکانالها برای انجام استخراج مایع-مایع بسیار سودمند است. استخراج مایع-مایع بطور فزایندهای در بسیاری از صنایع همچون نفت، هیدرومتالورژی، صنایع غذایی و شیمیایی حائز اهمیت است. در طی بیست سال اخیر تقاضا استخراج فلزات کمیاب خاکی با توجه به کاربرد گسترده این دسته از فلزات در تجهیزات الکترونیکی به سرعت افزایش یافته است
استخراج با حلال یک روش چند کاربردی برای حذف، جداسازی و تغلیظ یونهای فلزی در محیطهای آبی مخلوط فلزات است
استخراج با استفاده از حلالهای تجاری مانند Cyanex301 ,Cyanex302 وCyanex925 ،Cyanex272 و D2EHPA به طور گستردهای برای تغلیظ و جداسازی عناصر خاکی نادر مورد استفاده قرار گرفتهاند
یانگ و همکاران [13] با استفاده از آغشته کردن D2EHPA بر روی Amberlite XAD-2، جداسازی روی و مس از محلول سولفوریکی را مورد مطالعه قرار دادهاند.
جیا و همکاران توسط [14] Cyanex302 استخراج Tm از محلول اسید کلریدریک با رزینهای استخراجی را مورد بررسی قرار دادهاند. در دهههای اخیر محققان استخراج با حلال در میکروکانالها را یکی از موثرترین و کاربردیترین تکنیکها برای استخراج یونهای فلزی معرفی کردند
در این تحقیق نفوذ یک جزء میان حلال با غلظتهای مختلف در میکروکانال با هندسهای مختلف بررسی می شود و کانتورهای غلظت و سرعت برای این شبیه سازی نمایش داده می شود که نشان از دقت بالای نرم افزار دارد.
-2 مدلسازی
همان طورکه گفته شد برای مدلسازی از نرم افزار COMSOL V 5.2 برای شبیهسازی استفاده شد. این نرم افزار توانایی بالایی در حل مسایل غیر خطی دارد. از این نرم افزار میتوان در حوزههای مختلف از جمله شیمی، فیزیک، الکترونیک، مکانیک و.... استفاده کرد. سیال مورد استفاده در این شبیهسازی به عنوان حلال، آب میباشد که چون این شبیهسازی در شرایط دمایی و فشاری استاندارد انجام شد مقادیر مربوط به دانسیته و ویسکوزیته در دما و فشار متناظر برای آب در نرم افزار تعیین شد .
پس از وارد کردن هندسه مسئله و اضافه کردن فیزیک Laminar flow، شرایط مرزی برای ورودی و خروجی که همگی ازنوع فشار می باشند وارد شد. فیزیک بعدی مورد استفاده در این شبیهسازی Transport of diluted species میباشد. برای این فیزیک هم شرایط مرزی ورودی به صورت غلظت و شرایط مرزی خروجی به صورت جریان خروجی را انتخاب میکنیم. پس از اضافه کردن Multiphysics گزینه Flow coupling را انتخاب و در نهایت با مشبندی دلخواه، نرم افزار را در حالت پایا قرار میدهیم.
-3 کانتورهای غلظت و سرعت
شکل 1 نمایانگر پروفایل سرعت در میکروکانال با هندسه Semi h. cell میباشد. همانطور که مشخص است هرچه از جداره میکروکانال فاصله گرفته میشود سرعت بالاتر می رود. شکل 2 - الف - نمایانگر پروفایل غلظت در داخل میکروکانال ذکر شده میباشد. همانطور که مشخص است به علت بالابودن ضریب نفوذ، پروفایل غلظت در ابتدای تماس دوجریان باهم - جریان آب با غلظت 1مولار و جریان آب فاقد ماده حل شونده - پروفایل غلظت یکنواخت شده و جریان خروجی دارای غلظت تقریبی 0/5 مولار می باشد، که برابر غلظت میانگین دو جریان میباشد. شکل 2 - ب - نیز بیانگر پروفایل غلظت در جریان مذکور میباشد با این تفاوت که ضریب نفوذ حدود 10 برابر کوچکتر شده و در نتیجه آن پدیده نفوذ کند تر شده و جریان غلظت یکنواختی را در انتهای میکرو کانال مشاهده نمیکنیم.
شکل :1 پروفایل سرعت - mm/s - برای میکروکانال با هندسه Semi h. cell
شکل :2 پروفایل غلظت - mol/m3 - برای میکروکانال با هندسه SEMI H. CELL
الف: - ضریب نفوذ جرء انتقال داده شده - 1*10-10 m/s2، ب: - ضریب نفوذ جرء انتقال داده شده - 1*11-10 m/s2
