Skip to main content
SUPERVISOR
Mortaza Sadeghi,Arjomand Mehrabani zeinabad
مرتضی صادقی (استاد راهنما) ارجمند مهربانی زین آباد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Mahdi Zarabadi pour
محمدمهدی زرآبادی پور

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Modeling of Mixed matrix membranes permeability for pure and mixed gas and optimization of adjustable parameters
Mathematical modeling for permeability prediction of mixed matrix membranes (MMMs) is rapidly improving. Ideal models failed in most of predictions. Development of a precise model for permeability prediction of MMMs with considering interfacial defects and pore blockage of particles is accessible. In this study, a new pseudo two phase model considering effects of all interfacial defects and pore blockage of particles was developed. In the developed model, permeabilities of pseudo dispersed phase and whole MMM were calculated by Gonzo-Parentis-Gottifredi and Lewis-Nielsen models, respectively. Effects of interactions of particles, size distribution, shape and agglomeration of particles were considered in new developed model. Also a fast and comprehensive optimization algorithm for determination of model’s adjustable parameters was developed. This algorithm has the capability of considering simultaneous effects of polymer chain rigidification or nonselective voids around the particles interphase and pore blockage of porous particles. It benefits lack of usage of arbitrary values for adjustable parameters, optimization of interphase thickness within a logical range, and reduction on dependency of using experimental permeability data. The developed model and algorithm were validated with 12 sets of different experimental data (129 data points). Predictions of new developed model for different gases from these sets of data showed that, 55.6%, 33.4% and 11% of percentage of average absolute relative error values that obtained from these permeability predictions are included values of less than 5%, 5-10% and more than 10%,respectively. Also the results of proposed modified Maxwell model in this study showed that, 33.4%, 44.4% and 22.2% of values are included values of less than 5%, 5-10% and more than 10%,respectively. These results show the superiority of new model to proposed modified Maxwell model. Permeability predictions of the developed model were compared with 8 data sets of published modeling results. The comparison reveals the capability of the developed model in providing of more accurate prediction data regardless of using less experimental for the optimization process. The developed model and optimization algorithm for pure gases were modified for permeability prediction of each component of gas mixture passing through MMMs. This modified model predict the permeability of each gas component of a gas mixture without any need to experimental data of the gas mixture passing through filler particles. The modified model consider effects of interphase and pore blockage of filler particles, effects of interactions and competition between components of gas mixture on the interphase and pore blocked filler particles. Keywords : Gas separation, Mixed matrix membrane, permeability, modeling, interphase, particle pore blockage, optimization, pure gas, gas mixture
مدل‌سازی ریاضی برای پیش‌بینی تراوایی غشاهای زمینه مرکب با سرعت در حال پیشرفت است. مدل‌های ایده‌آل در بیشتر پیش‌بینی‌های خود با شکست مواجه شدند. توسعه یک مدل دقیق برای پیش‌بینی تراوایی غشاهای زمینه مرکب، با در نظرگیری عیوب بین‌سطحی و نیز گرفتگی حفرات ذرات پرکن امکان‌پذیر است. در این پژوهش یک مدل جدید شبه دوفازی دربرگیرنده همه عیوب بین‌سطحی و همچنین انسداد حفرات ذرات پرکن متخلخل توسعه داده شد. در این مدل جدید تراوایی شبه‌فاز پراکنده توسط مدل گانزو-پارنتیس-گوتیفردی و درنهایت تراوایی کل غشاء زمینه مرکب توسط مدل لوییس-نیلسن محاسبه می‌شود. مدل توسعه‌یافته جدید اثرات برهمکنش ذرات پرکن با یکدیگر، توزیع اندازه، شکل و نیز تجمع ذرات پرکن روی پیش‌بینی تراوایی غشاء زمینه مرکب را درنظر می‌گیرد. جهت بهینه‌سازی مشخصه‌های قابل تنظیم مدل، یک الگوریتم بهینه‌سازی جامع و پرسرعت با امکان در نظر گرفتن همزمان اثرات فاز میانی صلب‌شدگی زنجیر پلیمری یا حفرات ناخواسته پیرامون ذرات پرکن و نیز اثر انسداد حفرات ذرات پرکن متخلخل توسعه داده شد. عدم استفاده از مقادیر اختیاری برای مشخصه‌های قابل تنظیم، بهینه‌سازی مقدار ضخامت فاز میانی در یک بازه منطقی از این ضخامت و کاهش به‌کارگیری داده‌های تراوایی تجربی از دیگر ویژگی‌های این الگوریتم بهینه‌سازی است. مدل و الگوریتم بهینه‌سازی جدید توسعه‌یافته در این پژوهش، با دوازده مجموعه از داده‌های تجربی تراوایی گاز (129 نقطه داده) برای غشاهای زمینه مرکب مختلف صحت‌سنجی شد. پیش‌بینی‌های مدل جدید توسعه‌یافته برای گازهای مختلف در این مجموعه داده‌ها آشکار ساخت که 6/55%، 4/33% و 11% از مقادیر درصد میانگین قدر مطلق خطای نسبی حاصل از این پیش‌بینی‌ها، به ترتیب زیر 5%، 5 تا 10% و بالای 10% می‌باشند. همچنین در مدل ماکسول اصلاح‌شده پیشنهادی در این پژوهش نیز مقادیر برای به ترتیب 4/33%، 4/44% و 2/22% از پیش‌بینی‌های انجام‌شده توسط این مدل، به ترتیب زیر 5%، 5 تا 10% و بالای 10% می‌باشند. این نتایج برتری مدل توسعه‌یافته جدید را نسبت به مدل ماکسول اصلاح‌شده پیشنهادی نشان می‌دهند. در ادامه پیش‌بینی‌های تراوایی‌های مدل و الگوریتم جدید توسعه‌یافته در این پژوهش با هشت مجموعه از داده‌های مدل‌سازی منتشرشده دیگر پژوهشگران مقایسه شدند. این مدل و الگوریتم جدید، توانایی خود را با تأمین دقت بیشتر و کاهش مقادیر حتی باوجود استفاده از داده‌های تراوایی تجربی کمتر در فرآیند بهینه‌سازی نسبت به پژوهش‌های ارائه‌شده در مراجع نشان دادند. در انتها مدل و الگوریتم بهینه‌سازی جدید توسعه‌یافته برای گازهای خالص، در راستای پیش‌بینی تراوایی هر جزء گازی از مخلوط‌های گازی عبوری از غشاء زمینه مرکب اصلاح شدند. این مدل اصلاح‌شده بدون نیاز به داده تراوایی تجربی هر جزء از مخلوط‌های گازی عبوری از ذرات پرکن، تراوایی این جزء در غشاء زمینه مرکب را پیش‌بینی می‌کند. این مدل اثرات فاز میانی و انسداد حفرات ذرات پرکن، اثرات برهمکنش و رقابت اجزای گازی مخلوط‌های گازی در عبور از فاز میانی و ذرات پرکن دارای انسداد را در نظر می‌گیرد. کلمات کلیدی: جداسازی گاز، غشاء زمینه مرکب، تراوایی، مدل‌سازی، فاز میانی، انسداد حفرات ذرات، بهینه‌سازی، گاز خالص، مخلوط گازی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی