بخشی از مقاله
چکیده
دراین پژوهش، شبیهسازی فرایند جداسازی دیاکسیدکربن از نیتروژن در یک تماس دهنده غشایی گاز- مایع با استفاده از نانوسیال آلفا آلومینا بررسی گردیده است. بدین منظور ابتدا هندسه سیستم مشخص وسپس معادلات بقا درسیستم معرفی شدهاند. با اعمال فرضیات و شرایط حاکم بر سیستم ، توزیع سرعت گاز و حلال، از طریق حل تحلیلی معادلات بقای اندازه حرکت و توزیع غلظت دیاکسیدکربن در تماس دهنده غشایی، از طریق حل عددی معادلات پیوستگی برای جزء با استفاده از روش المان محدود، بدست آمدند.
نتایج حاصل از شبیهسازی که با نتایج موجود آزمایشگاهی اعتبارسنجی گردیدند، نشان دادند که استفاده از نانوسیال آلفا آلومینا سبب افزایش راندمان جداسازی دیاکسیدکربن نسبت به آب خالص شده و همچنین افزایش دبی حلال و غلظت نانوذره در نانوسیال منجر به افزایش راندمان جداسازی دیاکسیدکربن و افزایش میزان دبی خوراک گازی باعث کاهش راندمان جداسازی دیاکسیدکربن میشود.
1. مقدمه
گرم شدن هوای کرهزمین ناشی از انتشار گازهای گلخانهای، موضوعی است که باعث بوجود آمدن نگرانی در عرصههای علمی، محیط زیست، سیاسی و اقتصادی شده است. از میان این گازها، دیاکسیدکربن که در حدود دو سوم آثار گلخانهای را به خود اختصاص داده ، به عنوان مهمترین گاز گلخانهای به شمار میآید.[1-2] دستگاههایی که عموماً برای حذف دیاکسیدکربن بکار میروند شامل برجهای حبابی، شستشودهنده ونتوری، برج پرشده وبرج سینیدار میباشند که در این میان برج پرشده در مقیاس تجاری دارای بیشترین کاربرد است اما استفاده از این دستگاه با مشکلاتی از قبیل طغیان، انباشتگی،کانالیزه شدن، ماندگی مایع در گاز وهمچنین بزرگ بودن تجهیزات همراه است.[3]
تماسدهنده غشایی گاز- مایع به عنوان یک روش نوین برای جذب دیاکسیدکربن حاصل از احتراق واحدهای صنعتی بهشمار میآید که دارای ویژگیهای مطلوبی همچون سطح تماس بالا،کوچک بودن تجهیز ، کنترل دبی گاز و مایع بهطور مستقل و سهولت در افزایش مقیاس، است.[4] تماس دهنده غشایی شامل سه ناحیه لوله - قسمت داخلی فیبر - ، غشا - ضخامت فیبر - و پوسته - فضای اطراف فیبر - است. در شرایط عملیاتی فاز مایع که به عنوان جاذب عمل میکند در یک طرف فیبرها و مخلوط گازی در طرف دیگر فیبرها جریان پیدا کرده،توسط حفرات درون فیبرها دو فار با یکدیگر تماس پیدا میکنند و انتقال جرم بر اساس اختلاف غلظت بین دو فاز گاز و مایع، صورت میپذیرد.[5 ]
پژوهشهای متعددی به منظور بررسی جذب دیاکسیدکربن توسط تماسدهنده غشایی هم بهصورت تجربی و هم بهصورت عددی صورت گرفته است. کای وکسلر[6] برای اولین بار از تماس دهنده غشاییگاز- مایع با الیافی از جنس پلیپروپیلن و از هیدروکسیدسدیم به عنوان حلال به منظور جذب دیاکسیدکربن استفاده کردند. کیم و همکاران [7] به بررسی تجربی و عددی جداسازی دیاکسیدکربن از نیتروژن با استفاده از یک تماس دهنده غشاییگاز- مایع از جنس پلیتترافلورواتیلن و استفاده از انواع حلالهای آمینی از جمله مونواتانولآمین، متیلدی اتانول آمین و دوآمینودومتیلیکپروپانول، پرداختند و نشان دادند که استفاده از دوآمینودومتیلیکپروپانول دارای بیشترین کارایی برای جداسازی دیاکسیدکربن، است.
فیازو المرکوزی[8] یک مدل دو بعدی ریاضی به منظور جذب دیاکسیدکربن و هیدروژن سولفید در یک تماس دهنده غشاییگاز- مایع با استفاده از حلال مونواتانولآمین توسعه دادند و توزیع غلظت این دو گاز را هم بصورت شعاعی و هم بصورت محوری در فیبرها، غشا و پوسته بدست آوردند. ژانگ و همکاران[9] یک مدلسازی ریاضی برای جذب دیاکسیدکربن در یک تماس دهنده غشاییگاز- مایع با استفاده از مخلوطی از متیل-دیاتانولآمین و دو ویک پپرازینیلاتیلنآمین به عنوان حلال ارائه کردند.
پس از اعتبار سنجی مدل با نتایج آزمایشگاهی ، توزیع غلظت دیاکسیدکربن بصورت سه بعدی در طول فیبرها و پوسته ارائه گردید و اثر پارامترهای مختلف عملیاتی از جمله نوع مسیر خوراک وحلال - همسو یا نا همسو - ، استفاده از ماژولها بهصورت سری، مقایسه عملکرد غشای خیس نخورده با خیسخورده واثر فشار بر راندمان جداسازی دیاکسیدکربن مورد بررسی قرار گرفت.
گلخر و همکاران[10] برای اولین بار به بررسی آزمایشگاهی استفاده از نانوسیالهای سیلیکا/آب و کربننانوتیوپ/آب به عنوان جاذب در یک تماس دهنده غشاییگاز- مایع به منظور جداسازی دیاکسیدکربن از هوا پرداختند و نشان دادند نانوسیالکربننانوتیوپ/آب دارای کارایی بیشتری برای جداسازی دیاکسیدکربن نسبت به نانوسیالسیلیکا/آب است.
با توجه به تحقیقات انجام گرفته مشاهده میشود، در زمینه شبیهسازی جذب دیاکسید کربن در تماس دهنده غشایی با استفاده از نانوسیال تحقیقی صورت نگرفته است. در این پژوهش به شبیهسازی فرایند جداسازی دیاکسیدکربن از نیتروژن در یک تماسدهنده غشایی گاز- مایع با استفاده از نانوسیال آلفا آلومینا/آب به عنوان حلال، پرداخته شده است. بدین منظور ابتدا هندسه سیستم و سپس معادلات بقای حاکم بر سیستم معرفی میشوند.
با اعمال فرضیات مربوط به سیستم ، معادلات بقایی که به شکل معادلات دیفرانسیل معمولی درآمدهاند از طریق روشهای تحلیلی و معادلاتی که به شکل معادلات دیفرانسیل پارهای درآمدهاند از طریق روش عددی المان محدود که توسط نرمافزار کامسولمولتیفیزیکس نسخه 4/3 a انجام میپذیرد، حل شدهاند .سپس نتایج بدست آمده با نتایج آزمایشگاهی موجود، اعتبار سنجی گردیده وسپس به ارائه نتایجی از جمله توزیع سرعت وغلظت دی-اکسیدکربن در طول تماسدهنده غشایی پرداخته شده است.
.2 مدلسازی
.1 2 هندسه سیستم
همانگونه که در شکل - 1 - مشاهده میشود، سیستمهای تماس دهنده غشاییگاز-مایع معمولاً شامل تعداد زیادی فیبردر داخل یک پوسته میباشند. به منظور شبیهسازی، میتوان یکی از فیبرها را با یک فضای تقریبی ایجاد شده در اطراف آن مورد بررسی قرار داد. با اعمال این فرض، هندسه مورد نظر برای شبیه سازی شامل لوله - قسمت داخلی فیبر - ،غشا - ضخامت فیبر - و پوسته میگردد.[11] به منظور سادگی در شبیه سازی همچنین میتوان فرض نمود که شکل متقارن بوده و تغییرات درجهت زاویهای وجود ندارد. در این صورت هندسه مورد نظر به شکل دو بعدی در میآید که در شکل زیر شماتیک آن آمده است.
