بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله شبیه سازی فرایند جداسازی دی اکسید کربن از جریان گازی هوا با استفاده از تماس دهنده غشایی با استفاده از نرم افزار کامسول انجام شد. حلال مورد استفاده نانوسیال سیلیکا/ آب بود. در مرحله اول دادههای حاصل از شبیهسازی با دادههای تجربی مقایسه شد و در ادامه متغیرهایی ماند ترکیب درصد نانو ذرات، دبی خوراک گازی، دبی حلال، دمای حلال مورد بررسی قرار گرفت. به منظور اعتبار سنجی شبیه سازی صورت گرفته، نتایج حاصله با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه گردید که تطابق نسبتأ خوبی با خطای متوسط %13/37 مشاهده شد.
توزیع سرعت، غلظت در حلال در طول تماس دهنده غشایی ارائه گردید نتایج این بررسیها نشان داد استفاده ازحلال در دماهای پایینتر، استفاده از جریان خوراک درون لوله، استفاده از جریان ناهمسوی حلال و خوراک و استفاده از غشایی که خیس خورده نشود سبب افزایش بازده جداسازی دی اکسید کربن شد که در این میان استفاده از غشای خیس نخورده اثر بسیاری در مقایسه با دیگر عوامل مورد بررسی بر بازده جداسازی دی اکسید کربن داشت.
-1 مقدمه
نخستین مطالعهی سامانمند پدیدهی غشایی به قرن هجدهم میلادی بازمیگردد. در این مطالعه اله نولیت اولین با عبارت اسمز را برای توصیف پدیدهی تراوش از میان دیافراگم، به کاربرد. در قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم غشاها کاربرد صنعتی نداشتند اما در آزمایشگاهها برای توسعهی نظریههای فیزیکی و شیمیایی استفاده شدند. جداسازی بر اساس اختلاف در نرخ انتقال اجزاء از دون غشا صورت میگیرد. اجزایی که با سرعت بیشتری انتقال مییابند در طرف دیگر غشا - جریان عبور کرده از غشا - و اجزاء کندتر در جریان باقیمانده، مجتمع میگردند - شکل . - 1
-2 پیشینه تحقیق
لاک و همکاران [1] مدلی برای جداسازی دی اکسید کربن از یک مخلوط چند جزئی گاز طبیعی برای جریان موازی، غیر هم جهت و جریان عرضی ارائه نمودند. از نرم افزار اسپن هایسیس برای بهینه سازی و طراحی فرایند برای استخراج کامل دی اکسید کربن و طراحی واحد استفاده شد. جریان غیر هم جهت بهترین عملکرد را در جداسازی دی اکسید کربن از خود نشان داد. بعد از آن به ترتیب جریان عرضی و جریان موازی دراری بازده جداسازی مطلوبی بودند. اگرچه مشاهده شد که بهترین شکل جریان از نظر جداسازی، اقتصادی تر نسبت به سایر پروفیل های جریان نمی باشد.
سهرابی و همکاران [2] در یک پژوهش مدلسازی دو بعدی را برای انتقال گاز دی اکسید کربن از مخلوط گازی توسط یک غشای فیبر توخالی انجام دادند. در مدل ریاضی آن ها نفوذ در جهت شعاعی و محوری در نظر گرفته شده بود. همچنین انتقال جرم همرفتی ناشی از واکنش شیمیایی در پوسته و لوله نیز مورد توجه قرار گرفت. مدل ریاضی توسط روش اجزاء محدود حل شد. مدل حل شده توسط داده های آزمایشگاهی موجود در پژوهش های دیگر اعتبار سنجی شده و تطابق قابل قبولی مشاهده شد. شبیه سازی ها حاکی از عملکرد بسیار خوب غشای فیبر توخالی برای جداسازی گاز دی اکسید کربن از نظر سطح تماس بود. شبیه سازی ها با محلول های مختلف جاذب انجام شد و مشاهده شد که محلول آمین بهترین عملکرد را برای جداسازی دی اکسید کربن دارند.
گیلاسی و رحمانیان [3] در یک پژوهش جداسازی دی اکسید کربن از گاز متان را در یک غشای تخت مورد مدلسازی قرار دادند. حل آنها بر اساس حل معادلات پیوستگی، مومنتوم و جرم به صورت همزمان بود. روش حل آن ها بر اساس الگوریتم مشهور به SIMPLE بود و حل توسط نرم افزار MATLAB برای به دست آوردن پروفیل های مربوط به غلظت انجام شد. نتایج مدلسازی تطابق قابل قبولی با داده های آزمایشگاهی به دست آمده داشت.
اسلامی و همکاران [4] در یک پژوهش جداسازی دی اکسید کربن از مخلوط این گاز با نیتروژن با غشای فیبر توخالی پلی تترا فلورو اتیلن را مدلسازی نمودند. سیال جاذب آن ها پتاسیم گلیسنات بود. نتایج مدلسازی نشان داد که پارامترهای شدت جریان مایع، دمای مایع، غلظت مایع، بر روی بازده جداسازی و شدت انتقال جرم تاثیر دارد. دمای گاز بر میزان جداسازی تاثیر ندارد. افزایش شدت جریان گاز و غلظت اولیه دی اکسید-کربن تاثیر معکوس بر میزان جداسازی دارد. همچنین شبیه سازی ها با نظریه های پیش بینی کننده تطابق داشت.
-3 روش تحقیق
3؛-1 متغیرهای موردبررسی 3؛1؛-1 عملکرد جذب نانو سیال
به منظور بررسی عملکرد جذب نانو سیال شبیهسازیها برای سه محلول آب خالص، 0/25 و 0/5 کسر وزنی نانو سیال سیلیکا انجام شد. در این قسمت از شبیهسازی جریان گاز 16 لیتر بر ساعت و غلظت اولیه دیاکسید کربن %40 وزنی و دما 303 کلوین در نظر گرفته شد. دبی حجمی نانو سیال برای ارزیابی تأثیر دبی حجمی نانو سیال بر میزان جذب دیاکسید کربن شبیهسازیها در جریان های مختلف نانو سیال نیز انجام گرفت. بررسی خطای شبیه سازی در پروژه حاضر از رابطه زیر برای محاسبه خطای نسبی شبیه سازی و انحراف آن از داده های تجربی استفاده شده است.
3؛1؛-2 حل معادلات دیفرانسیل پاره ای با نرم افزار کامسول مولتی فیزیک از آنجائی که در نرمافزار کامسول مدل های فیزیکی مختلفی جهت بررسی انواع مسائل از جمله الکترومغناطیس، صوت، مانیک سیالات، انتقال گرما و انتقال جرم وجود دارد، گام نخست به منظور شبیه سازی، انتخاب مدل فیزیکی مناسب است. در گام بعدی باید یک حلگر مناسب برای حل مدل انتخاب گردد. حلگر از طریق یک الگوریتم از پیش تعریف شده به حل مدل میپردازد.. پس از انجام این دو مرحله به مشخص کردن هندسه، معادلات، شرایط مرزی و شبکه بندی مناسب پرداخته میشود. در روش المان محدود در مرحله آخر برای رسیدن به جواب یک دستگاه معادلات جبری را باید حل نمود. بدین منظور در شبیه سازی با نرم افزار کامسول نیز در گام آخر باید یک حلگر مناسب برای حل دستگاه معادلات جبری اتخاذ گردد.
در این پژوهش به منظور شبیهسازی فرایند جداسازی دیاکسیدکربن از هوا در یک تماس دهنده غشایی، با توجه به آنکه انتقال جرم جزء دی-اکسید کربن مورد توجه است از مدلی موسوم به spices transport of diluted solution استفاده گردید. به منظور حل مدل، از حلگر stationary استفاده شد. این حلگر برای مسائل حالت پایا به کار برده می شود. همچنین به منظور حل دستگاه معادلات جبری به صورت مستقیم از حلگر PARDISO استفاده شد که این حلگر حافظه کمتری را نسبت به دیگر حلگر نرم افزار به نام UMFPACK اشغال میکند.[4]
-4 نتایج
4؛-1 نتایج حاصل از شبیهسازی 4؛1؛-1 بررسی استقلال نتایج شبیهسازی از شبکهبندی برای بررسی استقلال از نتایج شبیهسازی از شبکهبندی و به دست آوردن تعداد شبکهبندی بهینه از 12 شبکه محاسباتی استفاده شد. برای ارزیابی اثر شبکه روی نتایج شبیهسازی، غلظت دیاکسید کربن در گاز خروجی از تماس دهنده غشایی در نظر گرفتهشده است. با توجه به اینکه غلظت در جهت شعاعی تغییراتی نیز دارد برای به دست آوردن یک غلظت متوسط در مقطع خروجی برای گاز، از رابطه زیر استفاده میگردد.
