بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه شبیهسازی فرآیند انتقال جرم جذب دیاکسیدکربن بهوسیله محلول آبی مونواتانولآمین در میکروکانال در رژیم حلقوی توسط تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی انجام شد. در این شبیهسازی از مدل دو فازی اویلرین-اویلرین همگن استفاده شده است. شبیهسازی بصورت سه بعدی برای جریان دو فازی شامل گازی حاوی دیاکسیدکربن- نیتروژن و محلول آبی مونواتانول آمین انجام شد.
ضریب انتقال جرم در فاز مایع محاسبه گردید و همچنین اثرات نسبت ابعاد، سرعت گاز روی افت فشار، پروفایل سرعت و غلظت متوسط دیاکسیدکربن در فاز مایع مورد بررسی قرار گرفت. نتابج بررسی فرآیند انتقال جرم نشان داد که ضریب انتقال جرم را میتوان در غالب عدد بدون بعد شروود توسط رابطه مناسب بیان کرد. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش سرعت گاز پروفایل سرعت نزدیک دیوار، افت فشار و غلظت دیاکسیدکربن در فاز مایع افزایش مییابد و منجر به افزایش انتقال جرم میشود. بررسی ابعاد میکروکانال نشان داد که افزایش نسبت ابعاد میتواند منجر به کاهش پروفایل سرعت نزدیک دیواره و کاهش افت فشار گردد.
نکات برجسته پژوهش
· جریان حلقوی در میکروکانال
· شبیه سازی فرآیند انتقال جرم در یک میکروکانال
· محاسبه ضریب انتقال جرم در یک میکروکانال
· اثر هیدرودینامیک جریان روی فرایندانتقال جرم در یک میکروکانال
-1 مقدمه
در سالهای اخیر نگرانیهای روزافزونی در رابطه با پدیدهی گرمایش کره زمین و تغییرات آب و هوایی بهوجود آمده که محققین را بر آن داشته تا فرآیندهای مؤثری را برای جداسازی گاز دیاکسیدکربن بعنوان یک گاز گلخانهای از منابع بزرگ انتشار آن بیابند.[1]کاملترین فرآیند جداسازی بهمنظور جذب دیاکسیدکربن بهویژه در فشارهای پایین، جذب آن با حلالهای شیمیایی است.[2] معمولا از آلکانوآمینهای مختلف بعنوان حلال استفاده میکنند. یکی از مهمترین این حلالها مونواتانول آمین میباشد. این حلال دارای چندین مزایا از قبیل واکنشپذیری بالا، قیمت کم حلال و ظرفیت جذب بالا است
به منظور صرفهجویی در انرژی و فضا نیاز است که فرآیندهای صنعتی جذب دیاکسیدکربن توسط محلول مونواتانلآمین معمولاً در تجهیزات جذب با حجم کوچک انجام شوند. از اینرو، میکروکانالها بهعنوان یکی از تماسدهندههای جدید برای بهبود فرآیند جذب دارای توانایی بالای انتقال جرم و حرارت، سطح بزرگ نسبت به حجم و حجم کوچک میباشند با توجه به این ویژگیها، میکروکانالها میتوانند فرآیندهای جذب گاز را بهبود بخشد .[4]چندین مطالعه تجربی تاکنون روی فرآیندهای انتقال جرم در یک میکروکانال انجام گردیده که به برخی از آنها در زیر اشاره میشود.
جی و همکارانش[5] 1 مطالعهای تجربی را بر روی فرآیند انتقال جرم دو فازی گاز- مایع در یک میکروکانال انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که ضریب انتقال جرم بهطور قابل توجهی تحت تأثیر قطر کانال است و با کاهش قطر کانال میزان انتقال جرم و ضریب انتقال جرم افزایش مییابد. آنها بیان کردند بیشترین مقدار ضریب انتقال جرم در رژیم جریان حلقوی رخ میدهد. مطالعهای توسط ویچونبو و همکارانش[6] 2 درروی فرآیند جذب دیاکسیدکربن توسط محلول آبی مونواتانولآمین در میکروکانال انجام شد. نتایج آنها نشان داد که تحت فشار محیط و غلظت کمتر از مونواتانولآمین فرآیند جذب دیاکسیدکربن کمی تضعیف شده است. آنها نشان دادند که دما اثر مثبتی روی جذب دیاکسیدکربن دارد.
یو و همکارانش[7] 3 ویژگیهای انتقال جرم جریان حبابی با مخلوط گاز دیاکسیدکربن- نیتروژن و محلول مونو اتانولآمین- اتیلنگولیکول در میکروکانال مورد مطالعه قرار دادند. آنها نشان دادند که با افزایش سرعت جریان فاز گاز و افزایش غلظت فاز مایع، ضریب انتقال جرم افزایش مییابد. چونفانگ و چونوینگ[8] 4 مطالعهای بر روی فرآیند جذب دیاکسیدکربن بهوسیله محلول آبی مونواتانولآمین در میکروکانال در رژیمهای مختلف انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که در سرعت بالای جریان گاز، جریان تیلور ناپایدار و به رژیم جریان حلقوی تبدیل میشود. زمانی سرعت جریان مایع افزایش یابد میزان جذب افزایش و منجر به افزایشی در ضریب انتقال جرم میکروکانال میشود.
همانطور که بررسی تجربی مطالعات بالا نشان میدهد بیشترین انتقال جرم در رژیم حلقوی در یک میکروکانال روی میدهد و هچنین پارامترهایی مانند ابعاد کانال، غلظت حلال سرعت گاز و سرعت مایع روی سرعت انتقال جرم تاثیر دارند. تاکنون مطالعهای تجربی یا شبیه سازی بصورت همزمان پارامترهایی اشاره شده در بالا را روی فرآیند انتقال جرم در رژیم حلقوی در یک میکروکانال در نظر نگرفته است. یکی از ابزارهایی که امروزه برای بررسی فرآیندهای جداسازی در مهندسی شیمی میتواند مکمل مطالعات تجربی باشد، شبیهسازی با دینامیک سیالات محاسباتی میباشد. این ابزار میتواند جزئیات بیشتری را با صرف زمان و هزینه کمتر نسبت به آزمایشات تجربی بررسی کند.
در مطالعه حاضر، یک شبیهسازی سه بعدی با دینامیک سیالات محاسباتی1 برای بررسی فرآیند جذب گاز دیاکسیدکربن توسط محلول مونواتانولآمین در یک میکروکانال انجام میشود. اهداف اصلی در این شبیهسازی محاسبه اثرات سرعت گاز و نسبت ابعاد روی پروفایل سرعت، افت فشار و غلظت متوسط دیاکسیدکربن در یک میکروکانال میباشد.
-2شبیه سازی CFD
-1-2 معادلات حاکم
در این مطالعه جهت شبیهسازی از دیدگاه اویلرین -2 اویلرین همگن برای حل معادلات حاکم بر جریان استفاده شده است. معادلات پیوستگی و مومنتوم برای فاز پیوسته نوشته شد. در این شبیهسازی از مدل معروف − برای مدلسازی جریان مغشوش استفاده گردید
-1 -1-2 معادله پیوستگی
وقتی فاز پیوسته غیرقابلتراکم باشد معادله پیوستگی و مومنتوم بهصورت زیر میباشند
در معادله - 1 - دانسیته، U بردار سرعت، Γ سرعت جریان جرمی در هر واحد حجم از فاز به فاز α و ترم منبع جرمی خاص میباشد. همچنین در معادله - 2 - ویسکوزیته مولکولی، P فشار و ترم منبع بهخاطر نیروی حجمی میباشد.
