SUPERVISOR
Masoud Haghshenas fard,Ahmad Moheb
مسعود حق شناس فرد (استاد راهنما) احمد محب (استاد راهنما)
STUDENT
Majid Ansaripour
مجید انصاریپور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Experimental and numerical study on CO2 separation process in a hollow fiber membrane contactor using Alumina/water nanofluid
In recent years, CO 2 removal from outlet gas stream of industrial plants has become a significant issue due to various reasons, especially global warming. In this study, an exclusive experimental and theoretical investigation was carried out on using ?-Al 2 O 3 /water and ?-Al 2 O 3 /water nanofluids for CO 2 removal N 2 /CO 2 gas mixture by using a membrane contactor. For this purpose, the gas mixture and absorbent passed through fibers and shell side of a commercial polysulfone hollow fiber type membrane contactor, respectively. In experimental study, the performance of applied system was firstly compared with wetted wall column as a conventional process, and it was found that the former had better capability to separate CO 2 . Then, the variation of objective parameters of CO 2 removal efficiency; overall mass transfer coefficient, and flux of absorbed CO 2 into solvent, with different operating parameters including the type of nanofluid, nanoparticle content of nanofluid, absorbing nanofluids and feed gas flow rates, and initial CO 2 concentration in the feed mixed gas were investigated. Results showed that applying nanofluids (especially ?-Al 2 O 3 ) caused improvement in CO 2 removal efficiency; overall mass transfer coefficient, and flux of absorbed CO 2 into solvent. By adding only 0.02 vol. % ?-Al 2 O 3 nanoparticle to pure water, CO 2 removal efficiency reached to about 92% at low gas flow rates, overall mass transfer coefficient grew about 4 times at low feed CO 2 concentration; and flux of CO 2 absorption into solvent enhanced about 50% at high absorbent flow rates. In numerical part of the work, after defining the geometry and the conservation equations of the system, some simplifying assumptions were made. Momentum conservation equations and continuity equations for component appeared in the form of ordinary differential equations and partially differential equations, respectively. Momentum conservation equations were solved through analytical methods. The finite element method was considered as numerical method that was performed by COMSOL Multiphysics version 4.3, and continuity equations for different components were solved by this means. In order to validate the results obtained from simulation, they were compared with the experimental ones. It was observed that there was a relatively good agreement between them with average error of 9.37%. Afterward, by using the simulation results, some other parameters including velocity distribution, CO 2 concentration, and flux of absorbed CO 2 into solvent along the membrane contactor were determined. Also, effects of some other parameters, which had not been investigated experimentally, were studied numerically. These included of the effects of solvent temperature, gas flow in shell side, flow direction, and membrane wetting. It was found that working at lower temperatures with gas flow inside the fibers and counter current flow direction, and applying non-wetted membrane enhanced CO 2 removal efficiency. Also, simulation results revealed that among these parameters using of non-wetted membrane had greater influence on CO 2 removal efficiency. Key Words: CO 2 separation, hollow fiber membrane contactor, ?-Al 2 O 3 ?-Al 2 O 3 nanoparticle, nanofluid, simulation
در سالهای اخیر جداسازی دیاکسیدکربن از جریان گازهای خروجی حاصل از احتراق در واحدهای صنعتی به دلایل مختلف، به ویژه جلوگیری از گرمایش هوای کره زمین، اهمیت ویژهای یافته است. در این پژوهش، به بررسی تأثیر استفاده از نانوسیالهای آلفاآلومینا/آب و گاماآلومینا/ آب به منظور جداسازی دیاکسیدکربن از مخلوط گازی حاوی دیاکسیدکربن و نیتروژن در یک تماسدهنده غشایی الیاف توخالی تجاری از جنس پلیسولفون، به صورت تجربی وعددی پرداخته شده است. در تماس دهنده غشایی مذکور, خوراک گازی درون لیف ها وحلال درون پوسته، به صورت ناهمسو جریان پیدا کردند. در بخش مطالعه تجربی، ابتدا به منظور مقایسه عملکرد تماسدهنده غشایی با دیگر دستگاههای عملیات گاز- مایع، آزمایشاتی به منظور جداسازی دیاکسیدکربن در یک برج جداره مرطوب انجام شد که مشاهده گردید, تماس دهنده غشایی دارای کارایی مطلوبتر است. در ادامه به اندازهگیری آزمایشگاهی کمیت هایی همچون بازده جداسازی دیاکسیدکربن، ضریب کلی انتقال جرم و میزان شار دیاکسیدکربن جذب شده درحلال در تماس دهنده غشایی پرداخته شد وتغییرات آنها بر اساس عواملی از جمله نوع نانوسیال، غلظت نانوذره در نانوسیال، دبی خوراک ورودی (گاز)، دبی حلال و میزان دیاکسیدکربن موجود در خوراک مورد بررسی قرارگرفت. نتایج حاصل نشان داد که استفاده از نانوسیالات نامبرده، به ویژه گاماآلومینا/ آب سبب افزایش میزان بازده جداسازی دیاکسیدکربن، ضریب کلی انتقال جرم و میزان شار دیاکسیدکربن جذب شده, نسبت به آب به عنوان حلال شد. با اضافه کردن 02/0 درصد حجمی نانوذره گاما آلومینا به آب, بازده جداسازی دیاکسیدکربن در دبیهای پایین خوراک گازی به 92 درصد رسید، ضریب کلی انتقال جرم در غلظتهای کم دیاکسیدکربن در خوراک در حدود 4 برابر نسبت به آب افزایش نشان داد و میزان شار دیاکسیدکربن جذب شده در حلال در دبیهای بالای حلال در حدود 50 درصد نسبت به آب افزایش یافت. در بخش مطالعه عددی، پس از مشخص نمودن هندسه سامانه و معادلات بقای حاکم بر سامانه، فرضیات مربوط به سامانه ارائه گردیده، معادلات بقای اندازه حرکت به شکل معادلات دیفرانسیل معمولی ومعادلات بقای پیوستگی برای جزء به شکل معادلات دیفرانسیل پارهای درآمدند که به ترتیب از طریق روشهای تحلیلی و روشهای عددی حل شدند. روش عددی موردنظر در این پژوهش روش المانمحدود بود که توسط نرمافزار کامسولمولتیفیزیکس نسخه a 3/4 انجام پذیرفت. به منظور اعتبارسنجی شبیهسازی صورت گرفته، نتایج حاصله با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه گردیدکه تطابق نسبتاً خوبی با خطای متوسط 37/9 درصد مشاهده شد. پس از اعتبارسنجی، توزیع سرعت, غلظت و شار دیاکسیدکربن جذب شده در حلال، در طول تماسدهنده غشایی ارائه گردید وهمچنین اثر عواملی نظیر دمای حلال, جریان خوراک در پوسته, جریان همسوی حلال و خوراک و همچنین مقایسه اثر خیسخوردگی غشا با یک غشای خیس نخورده بر بازده جداسازی دیاکسیدکربن که در قسمت مطالعه تجربی به آنها پرداخته نشد، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این بررسیها نشان داد استفاده از حلال در دماهای پایینتر, استفاده از جریان خوراک درون لوله, استفاده از جریان ناهمسوی حلال و خوراک و استفاده از غشایی که خیس خورده نشود سبب افزایش بازده جداسازی دیاکسیدکربن شدکه در این میان استفاده از غشای خیس نخورده اثر بسیار زیادی در مقایسه با دیگر عوامل مورد بررسی بر بازده جداسازی دیاکسیدکربن داشت. کلمات کلیدی: جداسازی دیاکسیدکربن، تماسدهنده غشایی الیاف توخالی، نانوسیال، نانو ذره ههای آلفاآلومینا و گاما آلومینا، شبیهسازی