Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmud Ashrafizadeh,Ebrahim Shirani
محمود اشرفی زاده (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hadi Zahab Saniei
هادی ذهب صنیعی

FACULTY - DEPARTMENT

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

TITLE

Study of Inlet Pressure Effects on the Adsorption Phenomenon of Multicomponent Gas Mixtures in Packed Beds
These days, there are a lot of applications for pure gases in industries and medicines and with respect to increasing application of these gases, there are various methods for gas purification. One of the methods is the Pressure Swing Adsorption (PSA). In this project, the objective is to numerically investigate the effects of the inlet pressure on the adsorption process. Studying the adsorption in a packed bed is the first step in simulating the PSA process. Adsorption is the dominant phenomenon in the gas purification using the PSA process. The adsorption process usually occurs on the adsorbents which are called zeolites. Under high pressures, depending on the type of the adsorbent, one of the multicomponent gas species is adsorbed more than other ones. For separating gas mixtures, many granular adsorbents are usually placed in a cylinder packed bed. The main difference between the present study and previous ones is that in this study, porous media approach has not been used for the simulation of the adsorption phenomenon in multicomponent gases mixture separation. Therefore, to numerically simulate the process, the space among the adsorbents has been meshed with unstructured elements. The Linear Driving Force (LDF) has been used for the adsorption simulation. The governing equations are continuity, momentum and nitrogen traort scalar equations, which are solved in three dimensions. To study the pressure variation effects on the adsorption process, the pressure has been changed on the inlet. The inlet gas is air which consists of 79% nitrogen and 21% oxygen (mole fraction). The FLUENT commercial software has been used for the simulations. Air has been considered as an ideal gas and the adsorption process has been assumed to be isothermal. A constant adsorption coefficient is assumed throughout the bed and nitrogen is assumed to be the only adsorbate of the flow. Langmuir has been considered as the adsorption isotherm. The discrete element method (DEM) algorithm has been used for constructing the packed bed. The number of adsorbents in the packed bed is 54. At the beginning of the process, the adsorption rate is high because of the low amount of adsorbed nitrogen and as time passes, amount of adsorbed nitrogen becomes more and more which causes the adsorption rate to decrease and finally approaches zero. So, most of the adsorption phenomenon happens in a short period of time. The convection mechanism causes mass fraction to distribute throughout the bed and affects the adsorption process. At the beginning, the mass flux is high because of high adsorption rate. As the adsorption rate decreases, it leads the mass flux to reduce. The pressure drops linearly along the bed. By rising pressure, the amount of adsorption and also the mass flux increases and the velocity decreases. It is also found that the effect of adsorption on the pressure drop is low. Key Words: packed bed, adsorption, LDF model, PSA.
امروزه, استفاده از گازهای خالص, به منظور استفاده در صنعت و پزشکی, کاربردهای فراوانی دارد و با توجه به کاربرد روز افزون این گازها, روش های متفاوتی برای خالص سازی آن ها وجود دارد که یکی از این روش ها ، روش PSA است. در این پروژه, هدف شبیه سازی عددی فرآیند جداسازی اکسیژن از هوا در بستر فشرده، و همچنین بررسی تأثیر فشار ورودی بر میزان جذب است. شبیه سازی جذب در بستر فشرده, قدم اول در شبیه سازی فرآیند PSA است. پدیده ی حاکم در فرآیند خالص سازی با استفاده از PSA، فرآیند جذب سطحی است. جذب سطحی بر روی ذرات جاذبی به نام زئولیت اتفاق می افتد که تحت فشار، بسته به جنس جاذب, یکی از گونه ها را بهتر جذب می کند. برای جداسازی, از تعداد بسیار زیادی از این ذرات جاذب استفاده می شود که این تعداد زیاد جاذب, بستری فشرده و متخلخل ایجاد می کنند. تفاوت این مطالعه با کارهای قبلی, عدم استفاده از دیدگاه بستر متخلخل در شبیه سازی فرآیند جداسازی مخلوط گازهای چند جزئی در بستر فشرده تحت تأثیر پدیده ی جذب سطحی است. به این منظور برای شبیه سازی، فضای بین جاذب ها شبکه بندی بی سازمان شده است. مدل مورد استفاده برای شبیه سازی جذب سطحی، مدل LDF است. معادلات حاکم، معادلات مومنتم، پیوستگی و اسکالر انتقال برای گونه ی نیتروژن هستند که در سه بعد حل می شوند. برای بررسی اثر تغییر فشار بر روی میزان جذب، فشار ورودی, با در نظر گرفتن اختلاف فشاری ثابت بین ورودی وخروجی, تغییر داده می شود و میزان تغییر کسر جرمی اکسیژن در خروجی بستر محاسبه می شود. گاز ورودی به بستر هوا، با در صد مولی 79% نیتروژن و21% اکسیژن است. از نرم افزار تجاری فلوئنت برای شبیه سازی استفاده شده است. هوا را گاز ایده آل و فرآیند جذب سطحی هم‌دما در نظر گرفته شده و ضریب جذب در کل بستر ثابت فرض شده است. از فرضیات دیگر, جذب گونه ی نیتروژن می باشد و از جذب گونه ی اکسیژن صرف نظر شده است. هم دمای به کاربرده شده, هم دمای لانگمویر است. برای ایجاد بستر فشرده, از الگوریتم DEM استفاده شده است. بدین منظور, فرآیند جذب سطحی بر روی 54 دانه ی جاذب شبیه سازی شده است. با افزایش فشار, میزان جذب افزایش می یابد. همچنین, با افزایش فشار, دبی جرمی افزایش و سرعت در بستر فشرده کاهش می یابد. از نتایج دیگر تأثیر کم جذب بر روی فشار است. کلمات کلیدی : بستر فشرده، جذب سطحی ، مدل LDF و PSA

ارتقاء امنیت وب با وف بومی