SUPERVISOR
Nasrin Etesami,Mohsen Nasresfahany
نسرین اعتصامی (استاد راهنما) محسن نصراصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Nasim Hoseini
نسیم حسینی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Experimental Investigation of the Effect of Electric Field on CO2 Absorption in Water/Fe3O4 Nanofluid
In this study a novel strategy for increasing and also controlling mass transfer rate in gas-liquid system is reported and used to the industrially important system of CO 2 absorption. The strategy makes use of Fe 3 O 4 nanoparticles in the liquid phase and also exerting external electric field. To demonstrate this approach, a unique experimental set up has been applied to form falling liquid film, which is water, to be in contact with gas phase, which is pure carbon dioxide. Experimental set up consisted of vertical capillary tubes in four different diameters of 6, 8, 10, 14 mm and two copper electrodes for exerting electric field. Capillary tubes were placed between two electrodes and filled by liquid while gas was injected in the liquid phase by means of a syringe. After injection, gas phase in the form of a bubble was rising up through the tube and liquid falling film created on the boundary of the gas bubble and absorption process happened. Length of bubble reduced due to the absorption process. Length variation of bubble was recorded by taking photos at the entrance and exit sections of the tube and mass transfer coefficient was calculated. Gas bubble was being exerted to the electric field by rising up and passing through the electrodes. Nanofluid was purchased in stable concentrated suspension and diluted to the specific concentration by addition of distillated water. The diluted suspension was stable and no sign of sedimentation was observed in stagnant nanofluid. Nanofluids with concentrations of 0.001%, 0.005%, 0.01%, 0.025% by volume and field intensities of 133, 200, 266 kV/m were used in this study, respectively. Experimental results showed that external electric field is able to remarkably enhance gas absorption rate in the based liquid, while deteriorates mass transfer in nanofluids. The maximum amount of enhancement in mass transfer coefficient was measured to be about 45% and the maximum amount of reduction in mass transfer coefficient was about 63.5% in nanofluid with 0.005% concentration, both at the highest field intensity used in this work (266kV/m). The ratio of mass transfer coefficient under electric field to that in the absence of field versus Reynolds number reached a peak at 1.45 in base fluid whereas a minimum at 0.4 was observed in 0.001% concentration nanofluid. The diffusion coefficient and viscosity of base fluid and nanofluid were also measured under electric field experimentally. It was observed that viscosity of nanofluid increased under electric field. This effect is due to the chain formation of particles in the suspension induced by their polarization. Increasing viscosity leads to increasing resistance for transferring absorbed component from interface to the bulk of liquid, decreasing flow rate, increasing falling film thickness and then decreasing mass transfer coefficient. Also it was observed that exerting electric field decreased diffusion coefficient in nanofluid. Decreasing diffusion coefficient leads to decreasing mass flux in the direction perpendicular to the falling liquid film. Measured mass transfer and diffusion coefficients were compared with film and penetration theories. Experimental data was in agreement with penetration theory. Key Words : mass transfer, nanofluid, electric field, absorption.
در این مطالعه یک راهکار جدید برای افزایش و همچنین کنترل سرعت انتقال جرم در سیستم گاز-مایع گزارش شده و برای سیستم پرکاربرد و مهم جذب گاز دی اکسید کربن به داخل فیلم ریزان مایع به کار رفته است. این راهکار شامل افزودن نانوذرات اکسید آهن به فاز مایع و اعمال میدان الکتریکی بود. جهت تحقق این راهکار از یک دستگاه آزمایشگاهی ویژه برای به وجود آوردن فیلم ریزان در تماس با فاز گاز استفاده شد و آزمایشات برای سیستم آب- دی اکسید کربن انجام گردید. دستگاه آزمایشگاهی شامل لوله های مویین عمودی در چهار قطر داخلی(mm) 6، 8 ، 10 و 14 بوده که همگی به طول cm50 تهیه شده بودند. دو الکترود مسی جهت اعمال میدان در دوطرف لوله قرار داده شده، لوله عمودی از فاز مایع پر شده و فاز گاز توسط سرنگ به داخل لوله تزریق می شد. با بالا رفتن حباب گاز پس از تزریق توسط سرنگ، فاز مایع بر جداره خارجی حباب به سمت پایین به صورت فیلم ریزان فرو می ریخت و در تماس با فاز گاز قرار می گرفت و فرآیند جذب اتفاق می افتاد. طول حباب در اثر فرآیند جذب کاهش می یافت. تغییرات طول حباب توسط عکس هایی که در بخش های ورودی و خروجی لوله از حباب گرفته می شد، ثبت گردید و ضریب انتقال جرم محاسبه شد.حباب گاز با بالا رفتن در طول لوله و عبور از فضای بین دو الکترود، تحت میدان الکتریکی قرار می گرفت. نانوسیال به کار رفته در انجام آزمایش ها سوسپانسیون خریداری شده پایداری بودکه با افزودن آب مقطر به آن، به غلظت مورد نظر رقیق شده بود. نانوسیال رقیق شده کاملاً پایدار بوده و هیچ اثری از ته نشینی در نانوسیال مشاهده نشد. در این مطالعه نانوسیال با غلظت های 001/0%، 005/0%، 01/0% و 025/0% بر مبنای حجمی و میدان الکتریکی با شدت های kV/m266 ,200,133 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از آن بود که اعمال میدان الکتریکی قادر است به طور قابل توجهی سبب تقویت فرآیند جذب در سیال پایه شود و ضریب انتقال جرم را افزایش دهد. اما در حضور ذرات نانو در فاز مایع، اعمال میدان سبب کاهش سرعت انتقال جرم می شود. بیشترین مقدار افزایش ضریب انتقال جرم فرآیند جذب گاز در آب برابر 45% و بیشترین مقدار کاهش آن 5/63% در نانوسیال 005/0% بوده و هردو در شدت میدان kV/m266مشاهده گردید. نسبت ضریب انتقال جرم در حضور میدان به مقدار آن در غیاب میدان برحسب عدد رینولدز در سیال پایه به یک نقطه ماکزیمم برابر 45/1 رسید، در حالیکه در نانوسیال 001/0% یک نقطه می نیمم برابر 4/0 مشاهده شد. در تحلیل نتایج بدست آمده، از ویسکوزیته و ضریب نفوذ به عنوان دو عامل موثر بر ضریب انتقال جرم استفاده شد و تغییرات این دو پارامتر در سیال پایه و نانوسیال مورد آزمایش تحت میدان الکتریکی اندازه گیری شد. ویسکوزیته نانوسیال تحت میدان الکتریکی افزایش یافت. این اثر به علت تشکیل زنجیره توسط ذرات موجود در سوسپانسیون به واسطه قطبیتشان تحت میدان است. افزایش ویسکوزیته سبب افزایش مقاومت در برابر انتقال جزء جذب شونده از ناحیه فصل مشترک به داخل توده مایع، کاهش دبی مایع، افزایش ضخامت فیلم ریزان و در نتیجه کاهش ضریب انتقال جرم می شود. همچنین مشاهده شد ضریب نفوذ در نانوسیال تحت میدان الکتریکی کاهش یافته و در نتیجه باعث کاهش فلاکس انتقال جرم در جهت عمود بر فیلم ریزان می شود. در نهایت مقادیر تجربی ضریب نفوذ و ضریب انتقال جرم با مدل تداخل جرم و مدل فیلم مقایسه گردید. مقادیر تجربی تطابق خوبی با مدل تداخل جرم داشت. کلمات کلیدی : انتقال جرم، نانوسیال، میدان الکتریکی، جذب