SUPERVISOR
Mohsen Nasresfahany,Nasrin Etesami
محسن نصراصفهانی (استاد راهنما) نسرین اعتصامی (استاد راهنما)
STUDENT
Majid Ghasemi falavarjani
مجید قاسمی فلاورجانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Investigation of the Absorption of CO2 into Nanofluids in Stirred Tank
Investigation of the Absorption of CO 2 into Nanofluids in Stirred Tank Majid Ghasemi Falavarjani m.ghasemifalavarjani@ce.iut.ac.ir March 10, 2012 Absorption of gases into liquid is a prevalent way of reducing or separating a gas component from a gas mixture. Extensive research has been carried out to increase the efficiency of absorption process. These include adding chemicals to the liquid phase to reduce the mass transfer resistance of liquid phase by chemical reaction, addition of microparticles, adding nanoparticles to the liquid phase and using external fields like electromagnetic fields Using nanofluid is one of the methods that may increase the mass transfer coefficient in gas absorption process. Nanofluids can be used as an effective method for increasing the mass transfer coefficients.In this study, volumetric mass transfer coefficients (K L a) in absorption of carbon dioxide into ?-Al 2 O 3 /water and Fe 3 O 4 /water nanofluids were investigated. An agitated vessel with two disk flat-blade turbine impellers and 1.4 l volume equipped with variable speed DC electromotor and magnetic fields was constructed.Volumetric mass transfer coefficients for absorption of carbon dioxide in base fluid and different volume concentrations of ?-Al 2 O 3 /water nanofluid were measured at two different gas flow rates. The results showed that the mass transfer coefficient increased by concentration of ?-Al 2 O 3 nanoparticles up to 0.05%V/V in base fluid for 1.0 l/min gas flow rate and constant speed propeller, then remained constant (0.05 to 0.2%V/V).The mass transfer coefficient increased by power per unit volume inserted by the propeller for ?-Al 2 O 3 /water nanofluid. It is suggested that adding nanoparticles to the base fluid may break the bubbles reducing the size of the bubbles and increasing the volumetric mass transfer coefficient. The highest volumetric mass transfer coefficient measured was equal to 0.08 1/s in 0.05 %V/V concentration of nanofluid ?-Al 2 O 3 /water for 1.0 l/min gas flow rate and 1400 rpm propeller speed. At all concentrations of nanofluid (0.01–0.2%V/V), the volumetric mass transfer coefficient enhancement (volumetric mass transfer coefficient of nanofluid to base fluid, E kla ) initially increased and then decreased vs power per unit volume inserted by the propeller. The highest mass transfer coefficient enhancement was measured to be 2.15 in 1150 rpm impeller speed, 0.05%V/V concentration and 1.0 1/min gas flow rate. The effects of addition of Fe 3 O 4 magnetic nanoparticles on absorption of carbon dioxide into water were also investigated. The results showed that the mass transfer coefficient increased by concentration of Fe 3 O 4 nanoparticles up to 0.005%V/V in base fluid for 1.0 l/min gas flow rate and constant speed propeller. Applying a direct magnetic field intensity of 390 gauss (G) did not show significant effect on the volumetric mass transfer coefficient of carbon dioxide absorption in pure water and Fe 3 O 4 /water nanofluid. Keywords: Volumetric mass transfer coefficients, absorption, carbon dioxide, nanofluid, ?-Al 2 O 3 /water, Fe 3 O 4 /water, stirred tank , magnetic field.
جذب گاز توسط فاز مایع یکی از روش های متداول برای حذف یا جداسازی یک جزء از یک مخلوط گازی است. تحقیقات گسترده ای برای افزایش راندمان این فرآیند مانند افزودن مواد شیمیایی به فاز مایع برای کاهش مقاومت فاز مایع با انجام واکنش، افزودن میکروذرات با جذب سطحی و افزودن نانوذرات به فاز مایع انجام شده است. استفاده از فن آوری نانو یکی از روش هایی است که می تواند باعث افزایش ضریب انتقال جرم در یک سیستم گاز- مایع و در نتیجه بهبود فرآیند جذب گاز گردد. در این تحقیق جذب گاز کربن دی اکسید توسط نانوسیال با پایه آب در دمای C?25 و mmHg630 درون راکتور همزن دار مورد بررسی قرارگرفته است. در این راستا برای انجام آزمایش ها یک راکتور همزن دار با حجم 4/1لیتر و با دو پروانه راشتون و با الکتروموتور دورمتغیر و مجهز به میدان مغناطیسی غیر دائم طراحی و ساخته شد. ضریب انتقال جرم حجمی در سیال پایه و غلظت های حجمی مختلف نانوسیال آب/– Al 2 O 3 ? ، در دو دبی گاز کربن دی اکسید l/min 0/3 و0/1 اندازه گیری شده و نتایج مقایسه شده است. نتایج نشان داد در دبی گاز l/min 0/1 و یک سرعت ثابت پروانه، ضریب انتقال جرم حجمی با افزایش غلظت نانوذرات –Al 2 O 3 ? از 01/0تا 05/0درصد حجمی افزایش می یابد و در غلظت های بیشتر نانوذرات (05/0تا 2/0درصد حجمی)ضریب انتقال جرم تغییر نمی کند. با افزایش توان داده شده به ازای واحد حجم سیال (افزایش سرعت پروانه) در دبی ثابت گاز و یک غلظت ثابت نانوسیال آب/– Al 2 O 3 ? ، ضریب انتقال جرم حجمی افزایش می یابد. افزودن نانو ذرات به سیال پایه باعث شکستن حباب ها و کاهش اندازه حباب ها و درنتیجه افزایش سطح انتقال جرم و ضریب انتقال جرم حجمی می شود. با کاهش قطر حباب ها، فشار داخلی و حباب گاز و به تبع آن غلظت اشباع در سطح تماس دو فاز افزایش و در نتیجه سرعت انتقال جرم افزایش می یابد. بیشترین ضریب انتقال جرم حجمی در دبی گازl/min 0/1، غلظت %V/V 05/0 با سرعت پروانه rpm 1400برابر1/s 08/0 بدست آمد. با افزایش توان داده شده به واحد حجم سیال (سرعت پروانه) در کلیه غلظت ها (%V/V 2/0- 01/0)نسبت ضریب انتقال جرم حجمی نانوسیال به ضریب انتقال جرم حجمی سیال پایه (E) در ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد. بیشترین افزایش در ضریب انتقال جرم در توان داده شده به واحد حجم سیالkW/m 3 5/1(سرعت پروانه rpm 1150) و در غلظت %v/v 05/0 و دبی گاز ثابتl/min 0/1، برابر 15/2 بدست آمد. همچنین اثرات نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن بر روی جذب گاز کربن دی اکسید در راکتور همزن دار با دو پروانه بررسی گردید. افزودن نانو ذرات اکسید آهن به سیال پایه آب سبب گردید ضریب انتقال جرم در سرعت های بالای پروانه افزایش یابد. البته با عبور گاز از نانو سیال اکسید آهن بر سطح مایع درون راکتور کف تشکیل می شد که با افزایش سرعت پروانه و غلظت نانوسیال، بر مقدار آن افزوده می شد. بنابراین امکان انجام آزمایش در غلظت های بیشتر از %V/V 005/0 نانو سیال اکسید آهن وجود نداشت. همچنین اعمال میدان مغناطیسی مستقیم با شدت 390 گوس(G) اثر قابل توجهی بر روی ضریب انتقال جرم حجمی جذب کربن دی اکسید توسط آب خالص نداشت. کلمات کلیدی: ضریب انتقال جرم حجمی، جذب گاز، راکتور همزن دار، کربن دی اکسید، نانوسیال، آب/– Al 2 O 3 ? ، آب/ Fe 3 O 4 ، میدان مغناطیسی.