واژه‌هاي كليدي: تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی، جداسازی دی اکسید کربن، مدل سازی، شبیه سازی، دینامیک سیالات محاسباتی، شرایط خشک و خیس شوندگی جزئی فهرست مطالبفصل 1: مقدمه و کلیات تحقیق11-1- کلیات21-1-1- فرآیندهای جداسازی21-1-2- تعریف غشا21-1-3- مواد تشکیل دهنده غشا41-1-4- انواع فرآیندهای غشائی41-1-5- تماس دهنده غشائی الیاف توخالی81-2- تشریح مسئله91-3- ضرورت تحقیق در این زمینه101-4- مزایا و معایب تماس دهنده های غشائی121-5- اهدف شبیه سازی13فصل 2: ادبیات و پیشینه تحقیق152-1- مقدمه162-2- تاریخچه جداسازی بوسیله ی غشا172-3- پیشینه تحقیق در زمینه غشا182-3-1- مطالعات آزمایشگاهی192-3-2- مطالعات تئوری202-3-3- مطالعات بر روی مدل سازی و شبیه سازی مسئله22فصل 3: روش تحقیق243-1- مقدمه253-1-1- دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)253-1-2- تعریف253-1-3- کاربرد263-1-4- مزایا273-1-5- معایب273-2- بخش های مختلف شبیه سازی یک مسئله با تکنیک CFD283-2-1- پیش پردازنده283-2-2- حل کننده293-2-3- پس پردازنده293-3- آشنایی با نرم افزار Comsol Multiphysics30فصل 4: مدل سازی غشائی314-1- مقدمه324-2- معادلات حاکم334-2-1- جریان حلال درون لوله344-2-2- جریان حلال درون پوسته414-3- توزیع سرعت474-3-1- توزیع سرعت بخش لوله474-3-2- توزیع سرعت بخش پوسته474-4- سرعت واکنش شیمیایی48فصل 5: ارزیابی مدل و تجزیه تحلیل نتایج495-1- مقدمه505-2- داده های ورودی ثابت505-3- داده های ورودی محاسبه شده515-3-2- شعاع فرضی525-3-3- انحنا535-3-4- غلظت های ورودی در مخلوط گازی و محلول آبی545-3-5- ضرایب نفوذ555-4- یافته های بدست آمده از شبیه سازی555-4-1- اعتبار سنجی مدل575-4-2- شماتیک توزیع غلظت در تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی605-4-3- پروفایل سرعت در تماس دهنده های غشائی الیاف توخالی705-4-4- پروفایل غلظت شعاعی اجزا745-4-5- پروفایل غلظت محوری اجزا775-4-6- بررسی شماتیک تاثیر افزایش شدت جریان حجمی حلال بر روی توزیع غلظت دی اکسید کربن و مونو اتانول آمین...................................805-4-7- بررسی درصد حذف دی اکسید کربن835-4-8- تاثیر مقدار تخلخل بر غلظت دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز855-4-9- تاثیر تغییر ضخامت غشا بر روی غلظت دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز865-4-10- تاثیر تغییر شعاع داخلی لیف بر روی غلظت دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز875-4-11- تاثیر تعداد لیف ها بر غلظت دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز885-4-12- مقایسه محلول آبی مونو اتانول آمین با سایر حلال ها895-4-13- تاثیر شدت جریان مخلوط گاز945-4-14- تاثیر دما بر روی عملکرد سیستم955-4-15- مش بندی سیستم97فصل 6: نتیجه گیری و پیشنهادات1006-1- مقدمه1016-2- نتایج بدست آمده در حالت جریان حلال در بخش لوله1016-3- نتایج بدست آمده در حالت جریان حلال در بخش پوسته1026-4- پیشنهادات برای پژوهش های آینده103فصل 7: مراجع104فصل 8: پيوست‌ها110 فهرست اشکالشکل (1-1) شماتیک جداسازی سیستم دو فازی بوسیله تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی [2].3شکل (1-2) ریخت شناسی غشای الیاف توخالی، a: سطح مقطع b: لایه بیرونی پوسته c: سطح داخلی d: سطح خارجی [5].9شکل (1-3) مقایسه انتشار گاز دی اکسید کربن در پنج کشور جهان و اتحادیه ی اروپا،که از مصرف سوخت های فسیلی و تولید سیمان بوجود آمده اند ]7[.11شکل (1-4) انتشار گاز دی اکسید کربن در کشورهای صنعتی و در حال توسعه،که از مصرف سوخت های فسیلی و تولید سیمان بوجود آمده اند ]7[.12شکل (2-1) تعداد اختراعات ثبت شده در اتحادیه اروپا، برای جداسازی دی اکسید کربن ]10[.17شکل (4-1) شماتیکجریان ناهمسو در تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی (تماس دهنده ی غشائی گاز-حلال) ]36[.33شکل (4-2) شماتیک دو بعدی تماس دهنده ی غشائی لیف توخالی برای حالت جریان حلال در لوله.35شکل (4-3) شماتیک بخش غشا در شرایط خیس شوندگی جزئی برای حالت جریان حلال در لوله.37شکل (4-4) شماتیک دو بعدی تماس دهنده غشائی لیف توخالی برای حالت جریان حلال در پوسته.41شکل (4-5) شماتیک بخش غشا در شرایط خیس شوندگی جزئی برای حالت جریان حلال در پوسته43شکل (5-1) سطح مقطع حفره های متخلخل غشا در انحناهای مختلف [11].53شکل (5-2) اعتبار سنجی مدل شبیه سازی شده برای حالت جریان حلال در لوله58شکل (5-3) اعتبار سنجی مدل شبیه سازی شده برای حالت جریان حلال در پوسته.58شکل (5-4) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت دی اکسید کربن در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min005/062شکل (5-5) شماتیک سه بعدی غلظت دی اکسید کربن در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min 005/062شکل (5-6) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت مونو اتانول آمین در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min 005/064شکل (5-7) شماتیک سه بعدی توزیع غلظت مونو اتانول آمین در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min 005/064شکل (5-8) شماتیک دو بعدی غلظت یون در دبی حجمی حلال l/min005/065شکل (5-9) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت دی اکسید کربن در لیف توخالی و دبی حجمی l/min020/066شکل (5-10) شماتیک سه بعدی توزیع غلظت دی اکسید کربن در لیف توخالی و دبیحجمی l/min020/067شکل (5-11) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت مونو اتانول آمین در لیف توخالی و دبی حجمی حلالl/min020/068شکل (5-12) شماتیک سه بعدی توزیع غلظت مونو اتانول آمین در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min020/069شکل (5-13) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت در دبی حجمی جریان حلال l/min020/069شکل (5-14) شماتیک پروفایل سرعت برای جریان در لوله70شکل (5-15) پروفایل سرعت جریان گاز با دبی حجمی l/min010/071شکل (5-16) پروفایل سرعت جریان حلال در شدت جریان های حجمی مختلف71شکل (5-17) شماتیک توزیع سرعت برای جریان در پوسته72شکل (5-18) توزیع سرعت جریان گاز در شدت جریان حجمی گاز l/min 010/073شکل (5-19) پروفایل سرعت جریان حلال در دبی های حجمی مختلف73شکل (5-20) توزیع غلظت بی بعد شعاعی دی اکسید کربن در وسط لیف توخالیz = L/2)) و در حالت جریان حلال در لوله75شکل (5-21) توزیع غلظت بی بعد شعاعی مونو اتانول آمین و یون کربامات در خروجی جریان حلال (z = L) و درحالت جریان حلال در لوله75شکل (5-22) توزیع غلظت بی بعد شعاعی دی اکسید کربن در وسط لیف توخالیz = L/2)) و در حالت جریان حلال در پوسته76شکل (5-23) توزیع غلظت بی بعد شعاعی مونو اتانول آمین و یون کربامات در خروجی جریان حلال (z = 0) و در شرایط جریان حلال در پوسته76شکل (5-24) توزیع غلظت محوری دی اکسید کربن در مرز گاز- غشا برای حالت جریان حلال در لوله78شکل (5-25) توزیع غلظت محوری مونو اتانول آمین و یون کربامات در مرز جریان حلال- غشا و در شرایط حلال در لوله78شکل (5-26) توزیع غلظت محوری دی اکسید کربن در مرز گاز- غشا برای حالت جریان حلال در پوسته79شکل (5-27) توزیع غلظت محوری مونو اتانول آمین و یون کربامات در مرز جریان حلال- غشا و در شرایط حلال در پوسته79شکل (5-28) شماتیک توزیع غلظت بی بعد دی اکسید کربن در شرایط جریان حلال در لوله81شکل (5-29) شماتیک توزیع غلظت بی بعد دی اکسید کربن در شرایط جریان حلال در پوسته81شکل (5-30) شماتیک توزیع غلظت بی بعد مونو اتانول آمین در شرایط جریان حلال در لوله82شکل (5-31) شماتیک توزیع غلظت بی بعد مونو اتانول آمین در شرایط جریان حلال در پوسته82شکل (5-32) درصد حذف دی اکسید کربن بر حسب شدت جریان حجمی حلال و شرایط حلال در لوله83شکل (5-33) درصد حذف دی اکسید کربن بر حسب شدت جریان های حجمی حلال و شرایط حلال در پوسته84شکل (5-34) تاثیر مقدار تخلخل بر روی غلظت بی بعد دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز در شدت جریان حجمی حلال l/min 010/085شکل (5-35) تاثیر نسبت انحنا به تخلخل بر روی درصد حذف در شدت جریان حجمی حلال l/min 010/086شکل (5-36) تاثیر تغییر ضخامت بی بعد غشا بر درصد حذف دی اکسید کربن در شدت جریان حجمی l/min 010/0و جریان حلال در لوله87شکل (5-37) تاثیر شعاع بی بعد داخلی لیف بر درصد حذف دی اکسید کربن در شدت جریان حجمی حلال l/min 010/088شکل (5-38) تاثیر تعداد لیف ها بر درصد حذف دی اکسید کربن در شدت جریان حجمی l/min 010/0و حلال در لوله89شکل (5-39) مقایسه درصد حذف دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف91شکل (5-40) مقایسه شار مولی دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف91شکل (5-41) مقایسه ضریب انتقال جرم کلی دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف92شکل (5-42) مقایسه درصد حذف دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف92شکل (5-43) مقایسه شار مولی دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف93شکل (5-44) مقایسه ضریب انتقال جرم کلی دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف93شکل (5-45) تاثیر شدت جریان گاز بر روی درصد حذف و غلظت دی اکسید کربن از جریان گاز خروجی95شکل (5-46) تاثیر دما بر روی عملکرد سیستم در شرایط حلال در لوله96شکل (5-47) تاثیر دما بر روی عملکرد سیستم در شرایط حلال در پوسته97شکل (5-48) مش بندی استفاده شده در شبیه سازی98فهرست جداولجدول (1-1) پارامترهای موثر در انواع فرآیندهای غشائی [1].7جدول (1-2) برخی از فرآیندهای غشائی و نیروی رانش آنها [1].8جدول (5-1) ابعاد تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی [36]50جدول (5-2) پارامترهای عملیاتی ورودی [36]51جدول (5-3) پارامترهای محاسبه شده52جدول (5-4) تعیین درصد خطای نسبی برای حالت جریان حلال در پوسته59جدول (5-5( تعیین درصد خطای نسبی برای حالت جریان حلال در بخش پوسته60جدول (5-6) متوسط قدر مطلق خطای نسبی برای حالت جریان حلال در لوله و پوسته60جدول (5-7) بررسی استقلال از مش برای جریان حلال در بخش های لوله و پوسته99 فهرست علائم اختصارينماد های لاتینAARE(%)متوسط قدر مطلق خطای نسبیaثابت معادله ورستیگCغلظت (mol/m3)Dقطر داخلی مدولDiضریب نفوذ مولکولی (m2/s)Hثابت قانون هنری (mol/m3.Pa)Jشار مولی (mol/m2.s)Kضریب انتقال جرم کلی (m/s)kثابت سرعت واکنش (m3/mol.s)Lطول تماس دهنده (m)Mوزن مولکولی (g/mol)Mʹوزن مولکولی (kg/mol)mحلالیت فیزیکی CO2 در محلولnتعداد لیف هاQشدت جریان حجمی (l/min, m3/s)Pفشار (Pa, bar)RE(%)درصد خطای نسبیRسرعت واکنش (mol/m3.s)شعاع درونی مدول (m)rشعاع (m)r1شعاع داخلی لیف (m)rwشعاع خیس شوندگی در حالت حلال در لوله (m)rwʹشعاع خیس شوندگی در حالت حلال در پوسته (m)r2شعاع خارجی لیف (m)r3شعاع فرضی (m)Tدما (°C,K)tزمان (min & s)vسرعت جریان (m/s)Vijحجم نفوذ مولکولیxکسر مولیWمحیط خیس شونده ی غشا (m)wکسر وزنیw´ضخامت غشاzمحور (m) نماد های یونانیeتخلخلfکسر حجمی فضای خالی تماس دهندهmویسکوزیته (cp)tانحنا (پیچ و خم)rچگالی (gr/l)Dاختلافhبازده حذفlپارامتر برخورد دو جسمsقطر برخورد ()Wبرخورد موثر زیر نویس هاamineمحلول آمینeffموثرexpآزمایشگاهیgasگازIاجزاء (CO2, N2, MEA, H2O)inورودیknنادسنLMمتوسط لگاریتمیmمخلوطmaxبیشینهmemغشاnwبخش خشک غشاoutخروجیpحفره ها ی غشاperمحیطShellفضای میان لیف و پوسته تماس دهندهsimuشبیه سازیsolحلالtubeبخش درونی لیفwبخش خیس شونده غشا0شرایط اولیه بالا نویس هاˉمتوسط˷متوسطEمقدار اضافی فصل 1: فصل 1: مقدمه و کلیات تحقیق 1-1- کلیات1-1-1- فرآیندهای جداسازی[1]فرآیندهای جداسازی در بیشتر فرآیندهای صنعتی و شیمیایی، از مهم ترین بخش های آن است. و بخش جدانشدنی در واحد های بالادستی و پایین دستی بشمار می رود. روش های بسیار زیادی برای جداسازی اجزای سیال در مقیاس های مختلف بکار رفته است. بطور کلی مبنای همه این روش ها را می توان در سه دسته ی زیر خلاصه کرد:1. جداسازی بوسیله انتقال جرم بین فازها2. جداسازی بوسیله انتقال جرم درون یک فاز3. جداسازی بوسیله واکنش شیمیاییدر دسته اول، حداقل دو فاز وجود دارد. یکی از فازها، فاز اصلی بوده و فاز دوم بوسیله گرما و یا کاری که به سیستم اعمال می شود، باعث انتقال جرم و جداسازی مد نظر می شود. تقطیر و جذب از این نمونه بشمار می روند. در دسته دوم، جداسازی اجزای مورد نظر از یک فاز و با عبور از یک حائل انجام می پذیرد. و در این دسته تغییر فازی صورت نمی گیرد، بنابراین مصرف انرژی نسبت به دسته ی اول، بسیار پایین تر است. انواع فرآیندهای غشائی[2] را می توان در این دسته قرار داد. همانطوری که از اسم دسته سوم مشخص است، انتقال جرم با واکنش شیمیایی همراه است و بزرگی واکنش بسیار تعیین کننده است.1-1-2- تعریف غشایکی از انواع فرآیندهای جداسازی، که هنوز هم به عنوان یک تکنولوژی جدید محسوب می شود، فرآیندهای غشائی است. شکل 1-1، شماتیک جداسازی مخلوط دو جزئی بوسیله غشا را نشان می دهد. اگر چه انجام تعریف مشخص از غشا دشوار و شاید نادرست باشد ولی وجود تیغه یا حائل انتخابی بین دو فاز و به منظور جداسازی، در حالت کلی را می توان به عنوان تعریف غشا بیان کرد. البته باید به این نکته توجه داشت که این تعریف ماکروسکوپیک[3] غشا است در حالی که جداسازی سیال در مقیاس میکروسکوپیک[4] انجام می گیرد. و تعریف مذکور هیچ چیزی در مورد ساختار غشا را بیان نمی کند. غشاها می توانند نازک یا ضخیم، دارای ساختار همگن[5] و یا ناهمگن[6]، انتقال ذرات می تواند بصورت فعال[7] و یا غیرفعال[8] باشد. انتقال بصورت غیرفعال، بوسیله اختلاف غلظت، فشار و دما می تواند به رانش درآید [1]:تماس دهنده های غشائی الیاف توخالی[9]، یکی از انواعتماس دهنده های غشائی هستند که به دو سیال اجازه می دهد که در تماس مستقیم، بدون پراکنده شدن یک فاز در فاز دیگر در کنار هم قرار گیرند. در تماس دهنده های غشائی که برای جذب گاز استفاده می شود، مخلوط گازی در یک سمت غشای ریزمتخلخل، در حالی که جاذب مایع (حلال) در سمت دیگر غشا ریز متخلخل جریان می یابد. و عملیات انتقال جرم با جذب یک یا چند جزء گازی توسط حلال انجام می گیرد. شکل 1-1، شماتیک جداسازی مخلوط دو جزئی بوسیله ی غشا را نشان می دهد.شکل (1-1) شماتیک جداسازی سیستم دو فازی بوسیله تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی [2].1-1-3- مواد تشکیل دهنده غشاانتخاب مواد غشا بر روی جذب و پایداری شیمیایی تحت شرایط عملیاتی، یک عامل موثر بشمار می رود. از میان مواد پلیمری پلی پروپیلن (PP)[10]، پلی اتیلن (PE)[11] و پلی تترا فلئورو اتیلن (PTFE)[12] محبوب ترین مواد برای ساختن غشاها محسوب می شوند. این مواد به علت خاصیت آبگریزی که دارند، حلال را به درون خود نفوذ نمی دهند و باعث افزایش شار انتقال جرم می شوند. پلی وینیلیدن دی فلئورو (PVDF)[13] نیز نوع دیگری از مواد پلیمری است که برای ساخت غشا بکار می رود. این ماده مقاومت گرمایی و شیمیایی بسیار خوبی دارد و موجب می شود محلول های شیمیایی از قبیل اسیدها، آلکانول آمین ها و هالوژن ها باعث خوردگی در غشا نشوند. مواد غیرآلی نیز می توانند جایگزین مواد پلیمری شوند. این مواد دارای مقاومت شیمیایی و گرمایی بهتری نسبت مواد پلیمری هستند ولی معمولا با خیس شوندگی غشا همراه است ]3[.