بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله از تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی برای شبیهسازی فرآیندهای غشائی تحت تأثیر نیرو محرکه فشار استفاده شده است. مدل بر اساس دادههای تجربی فرآیند اولترافیلتراسیون توسعه داده شده اما روش شبیهسازی برای فرآیندهای مشابه مانند میکروفیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس معتبر است.
مدل نهایی قادر به پیشبینی شار نفوذی از غشا با خطای نسبی کمتر از 2درصد در حالت پایا است. با افزودن تأثیر برهمکنش مولکولی به فرآیند، مدل بخوبی قادر به پیشبینی پلاریزاسیون غلظتی خواهد بود، همچنین بررسی فشار عملیاتی، غلظت خوراک و سرعت خطی آن در کانال بعنوان پارامترهای عملیاتی تأثیرگذار، از طریق این شبیهسازی امکانپذیر است. نتایج شبیهسازی نشان میدهد، تأثیر فشار عملیاتی و سرعت خطی بر پلاریزاسیون غلظتی به مراتب بیشتر از تأثیر غلظت خوراک است.
1 -مقدمه
در دهههای اخیر توجه صنعتگران به صرفهجویی در مصرف انرژی معطوف شده است. افزایش کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی فرآیندهای غشائی، سبب توسعه مدلسازی در این زمینه شده است. مدلهای متعددی برای فرآیند اولترافیلتراسیون توسعه یافتهاند. مدلسازی به روش CFD با فرآهم آوردن امکان بررسی رفتار غلظتی در سطح غشا از مزیت ویژهای برخوردار است.
در سال 2002 پاریس1 و همکاران [1] مدلی بر مبنای معادلات انتقال در دو بعد توسعه دادند. تارابارا2 و همکاران با استفاده از CFD برای مدلسازی فرآیندهای متقاطع و انتهای بسته موفق شدند، عامل کاهش راندمان در فرآیند انتهای بسته را که شکلگیری مناطق سکون در سطح غشا است، شناسایی کنند .[2] در همین سال نرمافزار CFX برای مدلسازی یک کانال مستطیل شکل به روش دینامیک سیالات محاسباتی بکار گرفته شد
استودچر3 و همکاران با استفاده از نرمافزار فلوئنت4 یک سیستم نفوذ گاز و بخار را مورد مدلسازی و مطالعه قرار دادند. در این مدل، خروج جرم از غشا بصورت عبارات چشمه در سلولهای مجاور غشا به معادلات پیوستگی و حرکت افزوده شدهاند .[4] طاها5و همکاران توربولنسی ایجاد شده توسط تزریق گاز به درون کانال را با فلوئنت مدلسازی کردند
ماگیجو6 و همکاران در سال2002 سرعت نفوذ و پلاریزاسیون غلظتی را بهکمک CFD مدلسازی کردند .[6] استفاده از خواص متغیر برای محلول در مدلسازی کانال معمولی و کانال بافلدار به-روش CFD توسط وایلی7 و همکاران در سال 2002 مورد توجه قرار گرفت
مدلسازی تأثیر آرایش موانع بر توزیع فشار و میزان انتقال جرم توسط لیپنیزکی8 و همکاران در سال 2003 نشاندهنده تأثیر عمده آرایش موانع بر عملکرد و بازدهی ماژول غشائی است .[8] احمد9 و همکاران در سال 2005 از طریق تعریف توابع مشخص شده توسط کاربر در فلوئنت، غشا را بعنوان شرط مرزی تعریف کرده و یک مدل مستقل از شبکه توسعه دادند . در این سال، یک مطالعه مروری در زمینه کاربرد CFD در مدلسازیهای انجام شده برای فرآیندهای غشائی ارائه شد
رحیمی و همکاران در سال 2005 از CFD برای مدلسازی میکروفیلتراسیون آب دیونیزه استفاده کردند .[11] دال- سین10 و همکاران یک ماژول غشائی با 5 کانال موازی را توسط روش CFD و برنولی 11 شبیهسازی کردند .[12] در سال 2007 سنتوس12 و همکاران از CFD برای بررسی رژیم جریان در یک کانال بافلدار استفاده کردند. 12 نوع مانع در داخل کانال مدلسازی شد
در سال 2008 پاک و همکاران از طریق کدنویسی در فرترن13 و با تکیه بر تکنیکهای CFD به مدلسازی نفوذ در غشاءهای متخلخل پرداختند .در سال 2008، شکایب14 و همکاران با کمک CFD ماژول غشائی پیچشی را مدلسازی کردند .[15] در سال 2009 هنسپال15 و همکاران از معادلات ناویر استوکس برای حرکت در جریان آزاد - بیرون از غشاء - و از معادله دارسی برای محاسبه سرعت در داخل محیط متخلخل با تخلخل کم استفاده کردند
در همین سال مارکوس16 و همکاران عملکرد یک ماژول غشائی با 50 فیبر توخالی را از طریق مدلسازی یک فیبر توخالی مورد مطالعه قرار دادند و یک بررسی هیدرودینامیکی بر روی غشاءهای لولهای مجهز به بافل از طریق CFD انجام شد
مدائنی و همکاران تمایل به تشکیل رسوب را در سطح غشا از طریق انجام آزمایش به کمک خوراک رنگی مورد بررسی قرار دادند .[19] در سال 2009 شازبرگر1 و همکاران، اولترافیلتراسیون شیر را از طریق CFD مدلسازی کردند .
2 -تعریف مسأله
واحد آزمایشگاهی مدلسازی شده، متشکل از یک غشاء اولترافیلتراسیون مسطح از جنس پلیسولفون با MWCO=30 kD میباشد. با کمک دادههای آزمایشگاهی پارامترهای مدل لیهان-هانگ2 - فرمول - 1 برای سوسپانسیون مذکور در شرایط مختلف غلظت و فشار در دمای ثابت 30œC اندازهگیری شدهاند.
ابعاد غشا 3/35×8/55 سانتیمتر مربع و ارتفاع سطح مقطع کانال 3میلیمتر است. شکل 1 کانال مدلسازی شده را نشان میدهد.
شکل:1 کانال غشائی مدلسازی شده
3 -قوانین حاکم بر فرآیند و اصول مدلسازی
برای مدلسازی اولترافیلتراسیون ژلاتین-آب، میتوان غشا را بعنوان دیواره در نظر گرفت. با این فرض، از تأثیر خروج جرم - مولکولهای حلال - از غشا صرفنظر شده است که سبب ایجاد خطا در نتایج مدلسازی می-شود. برای کاهش خطای مدلسازی، در سلولهای مجاور غشا، خروج جرم از غشا، بعنوان عبارات چشمه به معادلات انتقال افزوده میشود.
