Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Moheb,Arjomand Mehrabani zeinabad
احمد محب (استاد راهنما) ارجمند مهربانی زین آباد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Fatemeh Vatankhah
فاطمه وطن خواه

FACULTY - DEPARTMENT

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

TITLE

Algorithm Design and Software Development for Design Calculation of Pervaporation Systems
Pervaporation process has a great potential for separation of liquid mixtures especially for azeotropic ones, due to its independence of vapor-liquid thermodynamic equilibrium. In this research, trans-membrane flux model and also modeling of the flow in the pervaporation modules have been investigated. It considers the trans-membrane flux as a function of feed temperature and concentration. Initially, by considering four sets of different published experimental data and also making comparison between the proposed model and three of the most recent models, the virtues of applying the developed flux model has been detected and also it was validated. According to the simulation results of the trans-membrane flux, the developed model reduced relative error value by 99.9% compared to model (1) in which only the temperature dependency of the flux is assumed. A reduction in relative errors of 35.4% for model (2) by considering both the temperature and the transferred component concentration dependency of the flux. This issue for model (3) which has used the same model as model (2) but with a different structure, was 62%. The validated developed flux model was applied for designing of pervaporation process based on a proposed algorithm. The flow model has been developed based on conservative law of mass and energy, with ignoring of the pressure drop. This model was used for simulation of pervaporation process on separation of an azeotropic mixture of isopropanol-water. It was solved under isotherm and adiabatic conditions by numerical method. Under specific feed conditions, the effect of temperature on the process performance under isotherm condition have been studied and it was shown that the required membrane areas could be reduced 34% by 10?C increasing in the feed temperature. Other hand, the temperature reduction was calculated 55?C less than the inlet feed temperature under adiabatic condition. Thus, neglecting of this temperature drop and assuming isotherm condition, results in 98% errors in evaluating of the required membrane areas in the process design. To attain the purpose of reducing the necessary membrane area, an alternative of multi-stage process with interstage heating was considered to compensate the temperature drop. Two different methods for designing of multistage pervaporation systems have been investigated and compared. By defining a specific conditions for both inlet and outlet streams, a multistage pervaporation system has been designed in two different methods. The first is a 10 stages system with equal membrane areas of 30 m 2 per each stage. The second one is an 8 stages system with equal temperature drop of 5?C per stage. The required membrane areas for these structures were reduced respectively 97.64% and 97.66% compared to the single stage. The solution of the model equations and the simulation of the process were performed through MATLAB environment. Key Words Pervaporation, Water/Isopropanol separation, Interstage heating, Flow model, Trans-membrane flux model, Simulation.
فرآیند تراوش‌تبخیری، به دلیل عدم وابستگی به داده‌های تعادل ترمودینامیکی بخار- مایع توانمندی جداسازی بسیار خوبی در جداسازی مخلوط‌ها به ویژه مخلوط‌های آزئوتروپی دارد. در این پروژه مدلی جهت تخمین شار عبوری از غشاء و نیز جریان در مدول‌های تراوش‌تبخیری ارائه شد که تاثیر دما و غلظت هر یک از اجزاء بر شار عبوری از غشاء در نظر گرفته‌شده‌است. عملکرد مدل توسعه‌یافته با در نظر گرفتن تاثیر غلظت سایر اجزاء بر شار جزء عبوری، با عملکرد سه مدل موجود در این زمینه مقایسه شد و دقت مدل توسعه‌یافته با مجموعه‌های مختلفی از داده‌های تجربی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج شبیه‌سازی مدل توسعه‌یافته برای تخمین شار عبوری از غشاء در مقایسه با نتایج حاصل از مدل نخست که تاثیر غلظت در آن لحاظ نشده‌است مقدار خطا ????% کاهش را نشان می‌دهد. مقدار کاهش خطا در پیش‌بینی شار عبوری مدل دوم با در نظر گرفتن تنها تاثیر غلظت جزء عبوری ????% و مدل سوم که مشابه مدل دوم ولی با ساختاری متفاوت بوده ??% مشاهده شد. پس از تایید مدل، از آن برای طراحی فرآیند تراوش‌تبخیری بر اساس یک الگوریتم توسعه داده‌شده، استفاده شد. مدل جریان بر اساس دو رابطه اصلی موازنه جرم و انرژی و با صرف نظر از افت فشار است. این مدل برای شبیه‌سازی فرآیند تراوش‌تبخیری در جداسازی مخلوط آزئوتروپی آب- ایزوپروپانول به کار برده‌َشد. با حل عددی مدل ارائه‌شده، طراحی فرآیند بر اساس مدل توسعه‌یافته در شرایط دما ثابت، آدیاباتیک تک مرحله‌ای و چند مرحله‌ای با افت دمای ثابت و یا سطح ثابت در هر مرحله انجام شد. در ادامه تاثیر دما بر عملکرد فرآیند با شرط ثابت بودن دما در راستای جریان خوراک مایع بررسی شد و در حالتی ویژه مشخص گردید که با افزایش دما به میزان C ??? می‌توان سطح غشاء مورد نیاز را ??% کاهش داد. از طرفی دیگر با در نظر گرفتن شرایط آدیاباتیک، افت دما در راستای جریان مایع طی یک شرایط مشخص از خوراک ورودی معادل C ??? برآورد گردید که صرف نظر از این مقدار و ثابت فرض کردن دما حین فرآیند منجر به خطای ?? درصدی در تخمین سطح مورد نیاز شده که طراحی نادرست فرآیند را نتیجه خواهد داد. به منظور کاهش سطح غشاء تحت شرایط آدیاباتیک، چند مرحله‌ای کردن فرآیند و گرما‌دهی بین مراحل مورد بررسی قرار گرفت. در این پروژه پس از مطالعه و بررسی دو روش مختلف برای انجام فرآیند تراوش‌تبخیری در چند مرحله، مقایسه‌ای بین آن‌ها انجام گرفت. تحت شرایط مشخصی از خوراک ورودی و با تعیین یک شرایط مطلوب برای مایع خروجی، یک سیستم چند مرحله‌ای تراوش‌تبخیری در دو حالت مختلف ?? مرحله‌ای با سطح ?? در هر مرحله، و ? مرحله‌ای با افت دمای C ? ? در هر مرحله طراحی شد که در هر یک از حالات، سطح غشاء مورد نیاز به ترتیب ?????% و ?????% نسبت به حالت تک مرحله‌ای کاهش پیدا کرد. کلیه مراحل حل مدل و شیبه‌سازی فرآیند در محیط نرم‌افزار متلب انجام شد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی