بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مروري بر انتقال جرم در سیستم هاي گاز-مایع-مایع
چکیده
بررسی سیستمهاي گاز-مایع-مایع با توجه به کاربرد آنهـا در فرآینـدهاي بیولوژیـک هـوازي و تصـفیه پساب به روش بیولوژیک به علت وجود دو فاز آبی و آلی داراي اهمیت زیـادي مـی باشـد. تـاثیر آلـوده کننده هاي هیدروکربنی در محلول آبی برروي انتقال جرم بین حبابهاي گاز و مـایع از اهمیـت زیـادي برخوردار است. با توجه به پژوهشهاي انجام شده می توان گفت که حضور فاز مایع امتزاج ناپذیر در یک سیستم فاز مایع آبی-گاز ممکن است اثرات پیچیده و قابل توجهی برروي انتقال جرم با جذب اکسیژن یا انتقال آن به فازهاي دیگر داشته باشد. دانش اثر آلوده کننده هاي هیدروکربنی بر رفتار انتقال جرمی اکسیژن براي ارزیابی اثر آنها بر روي کیفیت آب و تعیین تکنیکهاي بر پایه آب در تصفیه آبهـاي آلـوده شده با روغن و نفت خام بسیار مهم است. بهبـود تـامین اکسـیژن در سیسـتمهاي بیولوژیـک همیشـه موضوعاصلیِ فرآیندهاي بیوشیمیایی بوده است. ترکیبات هیدروکربنی به مقدار انـدکی مـی تواننـد در آب حل شوند، اما حضورشان می تواند بسیار در رفتار انتقال جرمی در سیستمهاي گاز-مایع مؤثر باشد.
این مقاله شامل مروري بر انتقال جرم با حضور آلوده کننده هاي سطحی در سیستمهاي آبی-گـاز مـی باشد.
کلمات کلیدي: آلوده کننده هاي سطحی، انتقال اکسیژن، حباب هوا، سیستم گاز-مایع-مایع
.1 مقدمه
سیستمهاي سه فازي با واکنش اغلب در صنایع شیمیایی کاربرد دارند. به طور کلی، فاز سوم (جامـد یـا مـایع)
پخش شده در یک سیستم گاز-مایع ممکن است یک معرف، زیرلایه یا یک کاتالیست هتـروژن باشـد. اگرچـه اکثریـت کارها به واکنشهاي گاز-مایع-جامد اختصاص دارد، اهمیت واکنشهاي گاز-مایع-مایع بخاطر افزایش این نوع کـاربرد در فرآیندهاي بیولوژیک و سیستمهاي کاتالیستی هموژن (جذب همراه و یا بدون واکنش هاي شـیمیایی، انتقـال جـرم در سیستمهاي بیولوژیکی و سیستمهاي کاتالیستی) زیادتر شده است. در انتقال جرم گـاز-مـایع در حضـور ذرات کوچـک جامد و یا وقتیکه مایع دوم نهایتا در فاز مایع پیوسته به حالت تعلیق در می آید و حلالیت گاز در فاز مایع پخش شـده بالاتر از آن در فاز پیوسته است (نسبت حلالیت (mR>1 ممکن است یـک وضـعیت جالـب تـوجهی اتفـاق بیافتـد. در چنین مواردي، ذرات جامد یا قطرات مایع پخش شده بطور قابل توجهی می تواند شدت انتقال جرم شناساگر گـازي را به فاز مایع پیوسته افزایش دهد .[1]
کاربرد سیستمهاي گاز-مایع-مایع، در فرآیندهاي بیولوژیک هوازي و تصفیه پساب به روش بیولوژیک می باشد.
در فرآیندهاي بیولوژیک، یک سیال آلی امتزاج ناپذیر، به هدف افزایش انتقال جرم اکسـیژن در محـیط آبـی بـه علـت حلالیت پایین اکسیژن در محیط آبی و نیاز بالاي اکسیژن توسط میکرو ارگانیسمها در فاز آبی افزوده می شود. به ایـن ترتیب، شدت انتقال اکسیژن از فاز گاز به فاز مایع پیوسته، می تواند بدون افزایش تـوان ورودي، کـه ممکـن اسـت بـه ساختار سلولی صدمه وارد کند افزایش یابد. با این وجود، افزودن مایع آلی امتزاج ناپذیر به عنـوان مـایع دوم بـا وجـود حلالیت بالاتر اکسیژن در این مایعات آلی نسبت به آب (تا 20 برابر)، ممکن است انتقال اکسیژن را کاهش دهد .[2]
این مقاله به بررسی مطالعات انجام شده در زمینـه انتقـال جـرم در سیسـتمهاي روغـن در آب در حضـور گـاز
("روغن" فاز مایع آلی پراکنده و "آب" به عنوان فاز مـایع پیوسـته اسـت) مـی باشـد. هـدف از ایـن مطالعـه بررسـی ویژگیهاي انتقال جرم در سیستمهاي گاز-مایع-مایع است.
.2 پارامترهاي مؤثر در حضور فاز مایع پراکنده
افزودن فاز مایع پراکنده، شدت انتقال گاز محلول از لایه مرزي را تغییر می دهد. خواص فیزیکی مخلوط مـایع
(دانسیته، ویسکوزیته، حلالیت گاز و نفوذ گاز) تغییر می کنند و ویژگیهاي گاز-مایع (توزیع قطره نزدیـک لایـه مـرزي، مسیرهاي ممکن براي انتقال جرم، ضریب انتقال جرم و سطح ویژه گاز-مایع) می تواند بخاطر خـواص سـطح مشـترك مایع پراکنده تغییر کند. سه روش کار متمایز در مقالات براي بیان تغییر در انتقال جرم در سیستم گاز-مایع-مایع ارائه شده است:
1) تماس مستقیم گاز-مایع (فاز پراکنده) با تشکیل "یک کمپلکس گاز-آلی"1،
2) "تاثیر رفت و برگشت"2 قطرات با آوردن گاز محلول از سطح گاز-مایع به بالک مایع،
3) فعل و انفعال دینامیک قطرات روغن با لایه مرزي غلظت با ایجاد افزایش تلاطم یا اختلاط در این لایه.
به جهت درك مکانیسم حاکم بر انتقال جرم در سیستمهاي سه فازي، توزیع فازهاي آلی و آبی نزدیـک سـطح مشترك گاز-مایع با استفاده از مسیرهاي مختلف ممکن براي انتقال جرم ارزیابی شده است .[1]
.1.2 انتقال جرم در لایه مرزي: مسیرهاي ممکن
اساسا دو مسیر ممکن وجود دارد: انتقال به صورت سري: انتقال جرم گاز به آب بوده و هیچ تماس مستقیم گاز به روغن ممکن نبوده است (شکل A 1، .(B
شکل :(1) مسیر انتقال جرم به صورت سري: (A) مثال ارائه مدل شبه-هموژن (تماس غیر مستقیم گاز به روغن)؛
(B) مثال ارائه مدل هتروژن (ترکیب فلاکس گاز به آب و گاز به آب به روغن) .[1]
انتقال به صورت موازي: در این نوع انتقال تماس گاز به روغن ممکن بـوده و انتقـال جـرم گـاز بـه آب هماننـد
انتقال جرم گاز به روغن اتفاق می افتد (شکل .(2
شکل :(2) مسیر انتقال جرم بطور موازي .[1]
خواص سطح مشترك سیستم روغن-آب، به واسطه مفهوم ضریب پراکندگی(S) 1، می توانـد تـاثیري قـوي بـر روي مسیرهاي انتقال جرم داشته باشد (یعنی بر روي سطح مشترك و ضریب انتقال جرم). اگرچه استنتاج می شود که رفتار پراکندگی روغن می تواند مشخصه هاي انتقال جرم از گاز محلول بـه آب را در سیسـتم "روغـن در آب" تعیـین کند، واضح است که شرح توزیع روغن نزدیک سطح گاز-مایع تنها بواسطه این پارامتر ممکن نیست. ضریب پراکنـدگی
از روغن در آب به صورت زیر تعریف می شود:
ShW WG (hG hW ) (1)
که σij کشش بین سطحی فازهاي i و j می باشد. چنانچه توسط معادله (1) تعریف مـی شـود، S توانـایی فـاز روغن را یا به شکل قطره یا پخش شدن به شکل فیلم در تماس با فاز آبی به طورکمـی بیـان مـی کنـد. روغنهـاي بـا ضریب پراکندگی منفی (S<0) تمایل دارند تا قطرات مجزا تشکیل دهند، درحالیکه با ضریب پراکندگی مثبت (S>0) تمایل دارند تا به صورت فیلم نازك اطراف حباب پراکنده شوند. Brilman و همکـاران در سـال 1998 مقـادیر اولیـه ضریب پراکندگی (با مقادیر کشش سطحی اجزاء خالص) و متقابلا مقادیر اشباع (S*OW) را بـراي سیسـتم روغـن-آب تعریف کردند. طبق نتایج آنها مقدار اشباع S*OW تقریبا براي همه سیستمها منفی بوده و بنابراین در این مـوارد هـیچ پراکندگی وجود نداشته است .[3]
براي روغنهاي قطره اي، بیشترین مسیر احتمالی، انتقـال جـرم بـه صـورت سـري مـی باشـد. Hassan and Robinson در سال 1977 یک پوشش جزئی سطح حباب توسط قطرات کوچک روغن بهم چسبیده را فرض کردنـد.
وقتیکه تئوري ضریب پراکندگی بکار نمی رود، انتقال جرم به صورت سري در نظر گرفته شـده و یـک فـرض اصـلی در بررسی هاي تئوري و مدلسازي بوده است .[4] مدلها به صورت مدلهاي ساکن2 و غیر ساکن3 و مدلهاي (شبه) همـوژن و هتروژن طبقه بندي شده اند. اساسا، مدلهاي هموژن از اثرات هندسی و گرادیان غلظت درون فاز پراکنده چشم پوشی می کند (شکل.(A 1 علاوه براین، فرض می شود که جزء فاز روغن پراکنده به یک اندازه در سطح مشترك مایع-گاز و بالک مایع یکنواخت باشد. با فرض "تاثیر رفت و برگشتی" فاز روغن، جذب جزء حـل شـده در قطـرات روغـن نزدیـک
سطح مشترك فاز آبی-گاز، به فاز آب بیرون لایه مرزي انتقال می یابد. امتیاز ایـن مـدلهاي همـوژن سـادگی عـددي و زمان محاسبه کوتاه آنها است. در مدلهاي هتروژن، هندسه محلی در سطح مشترك گاز-مایع به حساب می آید (فاصله حباب-قطره و فاصله قطره-قطره). براي مثال،MacMillan و همکاران در سال 1987 و Junker و همکاران در سال
1990 دو مسیر از میان سطح مشترك گاز-مایع فرض کردند (شکل :(B 1 گاز محلول یا تنها توسط فاز پیوسته جذب
می شود (NGW) یا توسط فاز پراکنده .(NGWO) انتقال توسط قطرات و فاز آبی به بیرون لایه مرزي انجـام مـی شـود
.[1]
براي روغنهاي پخش شونده، بیشترین مسیر احتمالی چنانچـه توسـط Rols و همکـاران بررسـی شـده اسـت، انتقال به صورت موازي می باشد. با وجود اینکه Yoshida و همکاران در سال 1970 ارائه کردند که انتقـال مسـتقیم گاز به روغن، مسیر بسیار مهمی براي جذب اکسیژن براي روغنهاي پخش شونده می باشد، Linek و همکاران در سال 1976 و MacMillan و همکاران در سال 1990 نتیجه گرفتند که انتقال جرم حتی در سیستمهاي روغـن در آب بـا
S>0 به صورت سري می باشد. به هر حال، Van Ede و همکاران در سال 1995 بررسی کردند کـه انتقـال جـرم بـه صورت موازي هرچه قدر خواص سطح مشترك فاز روغن در سیستمهاي روغن در آب ممکـن اسـت، امکـان پـذیر مـی باشد. چنانچه گفته شد، توصیف پدیده انتقال جرم بخاطر اثر افزودن روغن در سطح مشترك گـاز-مـایع و لایـه مـرزي تنها توسط ضریب پراکندگی امکان پذیر نمی باشد. در نتیجه، بررسی هاي چندي به تغییر در ضـریب حجمـی انتقـال جرم kLa در این سیستم ها اختصاص یافته است .[5]
.2.2 اثر افزودن روغن بر روي kLa
kLa معمولا به عنوان شدت جذب گاز در رآکتورهاي چند فازي استفاده می شود. تغییرات در kLa بـا افـزودن روغن با به حساب آوردن و یا چشم پوشی کردن مقادیر ضریب پراکندگی در سیسـتمهاي روغـن در آب مطالعـه شـده است. در سیستمهاي دو فازي گاز-مایع تعدادي روشهاي تجربی بـراي انـدازه گیـري kLa وجـود دارد. در سیسـتمهاي روغن در آب، حضور فاز آلی امتزاج ناپذیر که نیروي جاذبه بین مولکولی بالایی در برابـر گـاز محلـول دارد بایسـتی در اندازه گیري kLa به حساب بیاید. در تعاریف مختلف kLa، از محدودیت انتقال جرم مایع-مایع صرفنظر کردنـد، یعنـی تعادل گاز حل شده بین فاز پیوسته آبی و فاز آلی پراکنده فرض شده است:
CO* و CW* به ترتیب، غلظت در سطح مشترك گاز-روغن و گاز-آب در تعادل با فشار جزئـی حـل شـونده در فاز گاز می باشد. mR نیز حلالیت نسبی یعنی نسبت حلالیت حل شونده در فاز قطره اي به حلالیـت حـل شـونده در فاز پیوسته می باشد .[1]
