مطالعه تجربي، مدل‏‏‌سازي و شبيه‏‌سازي ستون حبابي جذب گاز دي‌اكسيد كربن

كارشناسي ارشد

راكتورهاي ستون حبابي به‏صورت گسترده به عنوان تماس‏دهنده‌‌ها و راكتورهاي چند فازي در صنايع مختلف بكار مي‌روند. اين راكتورها داراي مزاياي بسياري، هم در طراحي و هم در عمليات، نسبت به ساير راكتورها هستند كه از آن جمله مي‏توان به هندسه ساده، ضرايب انتقال جرم و حرارت بالا، هزينه‏هاي عملياتي و نگهداري پايين اشاره كرد. در اين پژوهش، از ستون حبابي به‏منظور جذب واكنش‏دار گاز دي‏اكسيد كربن(CO2) در محلول‏هاي آبي پيپرازين(PZ) استفاده شده است. پيپرازين به‏دليل واكنش‏پذيري بسيار بالا با و انرژي احياي پايين، عموماً به‏عنوان پيش‏برنده در فرايندهاي جذب بكار مي‏رود. هنگامي كه در يك ستون حبابي گاز- مايع واكنش شيميايي اتفاق مي‌افتد، اثر متقابل بين فرايندهاي متداول بسيار پيچيده مي‌گردد كه پيش‌بيني عملكرد ستون‌هاي حبابي را دشوار ساخته است. بنابراين، مدل‏ مورد استفاده براي بيان رياضي فرايند جذب واكنش‏دار در يك ستون حبابي بايستي هيدروديناميك، انتقال جرم، انتقال حرارت و سينتيك واكنش‏هاي شيميايي را در برگيرد. در مطالعه حاضر، مدل ديناميك سيالات محاسباتي(CFD) دوفازي اولرين- اولرين به‏منظور توصيف پديده‏هاي انتقال در ستون‏ حبابي مورد استفاده قرار گرفته است. براي حل عددي معادلات از روش المان بقا و المان حل فضا- زمان(CESE) بهره گرفته شده است كه يك روش CFD با دقت بالا براي حل قوانين بقا مي‏باشد. اين روش اساساً هم در مفاهيم و هم در روش‏شناسي از روش هاي سنتي معتبر شناخته شده متفاوت است. اين روش از ملاحظات فيزيكي و عددي بنيادين ساخته شده و براي غلبه بر معايب روش‏هاي متداول، طراحي گرديده است و از ويژگي‏هاي آن مي‏توان سادگي، دقت و عموميت را نام برد. حل معادلات با كدنويسي در نرم‏افزار MATLAB انجام شد. آزمايشات جذب در دماي C° 22 و فشار اتمسفر انجام شد. غلظت محلول آبي پيپرازين 1/0تا 5/0 مولار، فشار جزئي در محدوده 20 تا 36 كيلوپاسكال، دبي جريان مايع 0 تا 2 ليتر بر ساعت و سرعت همزن 0 تا 300 دور بر دقيقه تنظيم شد. نتايج حاصل از آزمايشات، بازده جذب و ماندگي گاز را به ‏ترتيب در محدوده 5/65 تا 1/82 و 06/0 تا 076/0 نشان مي‏دهد. نتايج حاصل از شبيه‏سازي عددي با استفاده از روش CESE، نسبت به مطالعات تجربي داراي خطايي در حدود 3% براي ماندگي گاز و در محدوده 5 تا 12% براي بازده جذب بود.

190234

دانشگاه علم و صنعت ايران

طراحي، شبيه سازي و كنترل فرآيندها

دكتر احد قائمي - دكتر منصور شيرواني