Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Mahmud Ashrafizadeh
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور) محمود اشرفی زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Masoud Etezadi
مسعود اعتضادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Numerical Study of Grain Size Effect on the Adsorption Phenomenon of Multicomponent Gas Mixtures in Packed Beds
In the last few years, adsorption technology has become increasingly important in market and industry. This increased commercialization of the technology stimulates further research into adsorption process. One of the most important applications of adsorption process is in the Pressure Swing Adsorption (PSA) systems. In such systems, the adsorption process occurs in a packed bed of adsorbents and usually under high pressure. To have a good comprehension about the adsorption phenomenon, especially in PSA systems, it is crucial to simulate this process and recognize important parameters involved in it. Present study is focused on the effect of adsorbent size on the adsorption process using CFD method. Unlike previous studies, which simulate the adsorption process using porous media approach, in this research, the details of the packed bed geometry have been taken into account. This study can facilitate more accurate simulation of all the steps of the PSA cycle in near future. The adsorption phenomenon is assumed to occur on spherical adsorbents placed in a cylindrical bed. In order to investigate the grain size effect on the adsorption phenomenon, five packed beds with unisized grains have been considered which are similar in height and radius but are filled with various sizes of adsorbents. The geometry has been generated based on the Discrete Element Method (DEM) algorithm. The meshing process has been done using ICEM CFD commercial software. Due to the complexity of the geometry, tetrahedral elements have been utilized and in order to reduce the computations, inner parts of the adsorbents have not been meshed. In this work, the air (which consists of 79% nitrogen and 21% oxygen) is passed through the packed beds of adsorbents and the adsorption process occurs on the surfaces of the adsorbents. Nitrogen is considered as the only sorbate of the flow. The process of nitrogen adsorption is assumed to be isothermal and the flow regime is set to be laminar. Equations to be solved are continuity, Navier-Stokes and species traort which the latter is only solved for the adsorbed component (nitrogen). The Linear Driving Force (LDF) model, along with Langmuir isotherm, has been used to simulate the adsorption phenomenon on the adsorbents. The problem has been solved using CFD method by means of ANSYS FLUENT 13.0 commercial CFD software. In order to apply boundary conditions and source terms to the governing equations, parallel User Defined Functions (UDF) programming has been employed. The objective of present study is to examine the effect of adsorbent size on the adsorption process and this objective leads us to simulate air separation on five different packed beds. The results have gone along with the Langmuir model and shown the importance of porosity and total mass of adsorbents. They have shown that with respect to the LDF model, for two different packed beds with similar porosity and different mass of adsorbents, the one which has more adsorbents mass can give us flow with more oxygen purity. Also, for two different packed beds with similar mass of adsorbents and different porosity, the one with lower porosity can give us flow with more oxygen purity albeit with lower oxygen mass flow rate. Key Words: adsorption, packed bed, LDF model, CFD simulation, PSA.
طی چند دهة گذشته, پدیدة جذب سطحی, توجه بسیاری از صنایع را به خود معطوف کرده است. از مهم¬ترین کاربردهای این پدیده, می¬توان به جداسازی مخلوط گازها, به ویژه برای تولید اکسیژن و یا نیتروژن خالص اشاره کرد. این روند روز افزون استفاده از پدیدة جذب سطحی, لازم داشته تا با استفاده از روش¬های شبیه¬سازی, از جمله CFD, با دقت بیشتری به جزئیات آن پرداخته شود. در این پژوهش, رهیافتی جدید برای شبیه¬سازی پدیدة جذب سطحی مخلوط چند جزئی گاز ارائه می¬گردد و اثر دانه¬بندی ذرات جاذب درون یک بستر فشرده, بر روی پدیدة جذب سطحی مورد بررسی قرار می¬گیرد. برای تولید هندسة بستر فشرده, از برنامة از قبل نوشته شده که بر پایة روش DEM استوار است استفاده شده است. معادلات حاکم, معادلات پیوستگی, ممنتوم و معادلة انتقال اسکالر گونة شیمیایی است که تنها برای فاز سیال حل می¬گردند و میزان جذب در دانه¬های جاذب از طریق معادلة LDF محاسبه می¬شود. تولید شبکه و شبیه¬سازی فرآیند جذب سطحی, به ترتیب با استفاده از نرم¬افزارهای تجاری ICEM CFD و ANSYS FLUENT 13.0 انجام گرفته است و شرایط اولیه, شرایط مرزی و همچنین جملات چاه مورد نیاز برای حل معادلات, از طریق توابع قابل تعریف در نرم¬افزار ANSYS FLUENT 13.0 (UDF) اعمال گردیده است. برای اعتبار سنجی حل میدان جریان و اطمینان از درستی تنظیمات در نظر گرفته شده در نرم¬افزار, مقدار افت فشار با کارهای قبلی انجام شده مقایسه شده است. برای شبیه¬سازی پدیده¬ی جذب سطحی, مخلوطی دو جزئی (حاوی 21 درصد اکسیژن و 79 درصد نیتروژن) از روی بستری فشرده از ذرات جاذب نیتروژن عبور داده می¬شود و در خروجی, اکسیژن با درصد خلوص بالاتر به دست می¬آید. به منظور بررسی اثر دانه¬بندی بر روی پدیدة جذب سطحی, بستری با ابعاد ثابت و تعداد دانه¬های جاذب 7, 14, 28, 41 و 62 در نظر گرفته شده است و مقدار کسر مولی اکسیژن و دبی جرمی اکسیژن خروجی برای بسترها با دانه¬بندی¬های مختلف با یکدیگر مقایسه شده است. با توجه به نتایج به دست آمده, عوامل مؤثر بر پدیدة جذب, با فرض ثابت بودن فشار, مقدار جرم ذرات درون بستر و همچنین تخلخل بستر است. به طور کلی, با توجه به مدل LDF, هرچه جرم بستر بیشتر باشد, میزان جذب نیز بالاتر خواهد بود و کسر مولی اکسیژن در خروجی بیشتر خواهد شد. از طرف دیگر, در صورت ثابت بودن جرم برای دو بستر, بستری که دارای تخلخل کمتری است, درجة خلوص بالاتری را برای اکسیژن در خروجی بستر به دست می¬دهد؛ اما تخلخل پایین¬تر باعث کاهش دبی جرمی اکسیژن خروجی نیز خواهد شد. لازم به ذکر است که به دلیل کمبود نتایج آزمایشگاهی و عدم امکان انجام آزمایش تجربی, نتایج حاصل از شبیه¬سازی پدیدة جذب سطحی به صورت کیفی مورد بررسی قرار گرفته است. کلمات کلیدی: جذب سطحی, بستر فشرده, مدل LDF, دینامیک سیالات محاسباتی, فرآیند PSA

ارتقاء امنیت وب با وف بومی