عنوان پایان‌نامه
مطالعه تجربی وتئوری انتقال اکسیژن دربیوراکتورهای هوادهی شده
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 807.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 40504
- تاریخ دفاع
- ۳۰ بهمن ۱۳۸۷
- دانشجو
- مریم اصغرپور
- استاد راهنما
- نوید مستوفی, محمدرضا مهرنیا
- چکیده
- در این تحقیق به بررسی هیدرودینامیک و انتقال اکسیژن یعنی نگهداشت گاز (?g)، قطر متوسط حباب (d32) و ضریب حجمی کلی انتقال اکسیژن (kLa) در یک بیوراکتور ستونی حبابی (با حجم m3 3-10×3/6) حاوی آلکانها (نرمال دکان، تری دکان و هگزادکان) به عنوان فاز مایع دوم (فاز مایع پراکنده) در آب مقطر به عنوان فاز مایع پیوسته با درصدهای حجمی-حجمی 05/0%، 1/0%، 3/0% و 5/0% به عنوان محیط مدل برای فرآیندهای بیولوژیکی و تصفیه بیولوژیک فاضلابهای نفتی شامل هیدروکربنها در محدوده سرعت ظاهری گاز m/s 3-10 × 52/23-18/1 پرداخته شده است. ضریب انتقال اکسیژن در فاز مایع (kL) نیز از مقادیر kLa و سطح ویژه گاز-مایع (a) که از دو پارامتر ?g و d32 بدست می آید تعیین می شود. همچنین دو نوع مختلف سورفکتنت آنیونیک و سورفکتنت غیر یونی به جهت بررسی اثر افزودن سورفکتنتها به سیستمهای آبی حاوی آلکانها بر روی d32، ?g و kLa بکار رفته است. جهت مقایسه، آزمایش ها با آب مقطر نیز انجام گرفته است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که با افزایش ug مقادیر ?g و همچنین kLa برای همه سیالات افزایش می یابد. همچنین با افزایش ug، سطح ویژه انتقال جرم افزایش یافته و مقادیر kL کاهش می یابد. همچنین نتایج نشان داد که با افزودن هیدروکربنها به عنوان فاز مایع دوم در آب مقطر، به علت بالاتر بودن حلالیت اکسیژن در آنها، kLa به مقدار قابل توجهی افزایش می یابد. با افزودن فاز هیدروکربنی مقادیر ?g افزایش، d32 کاهش و در نتیجه سطح ویژه انتقال اکسیژن نیز افزایش می یابد. همچنین افزایش غلظت هیدروکربنها، باعث افزایش بیشتری در مقادیر kLa و ?g و کاهش بیشتری در d32 شده که دلیل این امر به افزایش حلالیت اکسیژن در هیدروکربنها و کاهش در کشش سطحی آب با افزودن هیدروکربنها ربط داده شد که باعث می شود از خاصیت بهم پیوستگی حباب جلوگیری شود. به عنوان نتیجه دیگر، حضور آلوده کننده های سطحی در سطح مشترک حباب، میزان kL را با افزایش مقاومت انتقال جرم فاز مایع کاهش می دهند. البته مقادیر kL تا اندازه ای پراکندگی نشان می دهد، که در واقع بخاطر خطاهای آزمایشگاهی مربوط به اندازه گیری kLa و a در محاسبه kL می باشد. همچنین مقادیر kL با غلظت فاز پراکنده تقریبا ثابت باقی می ماند. روابطی تجربی برای kLa و ?g برحسب d32، ug و ? و همچنین رابطه ای برای عدد بدون بعد شروود برحسب اعداد بدون بعد رینولدز و بوند ارائه شده است.
- Abstract
- In this study, Gas hold-up (?g), Sauter mean bubble diameters (d32) and the overall oxygen transfer coefficient (kLa) were evaluated at four discrete alkane concentrations (0.05, 0.1, 0.3 and 0.5 vol.%) in water over the range of superficial gas velocity of 1.18-23.52×10-3 m/s at 25?C in a laboratory-scale bubble column bioreactor. The liquid-side oxygen transfer coefficient (kL) was obtained from kLa, since the specific interfacial area (a) could be determined from ?g and d32. Two different types of anionic and non-ionic surfactants were also employed in order to investigate the effect of the addition of surfactants to organic-aqueous systems on Sauter diameter, gas hold-up and kLa. For comparison, experiments were also done with distilled water. The result showed that the values of ?g and kLa for all the fluids increase with increasing the gas velocity. Also, with increasing ug the values of a increases and the value of kL decreases. At superficial gas velocity below 2.5×10-3 m/s, addition of alkane in air-water medium has low influence on kLa and also ?g, whereas, at superficial gas velocity of 2.5×10-3 m/s and above, slight addition of alkane increases kLa and also ?g. Also, with addition of alkane, the values of ?g increases, d32 decreases and a increases. Increase in concentration of alkane resulted in increase in the values of kLa and ?g and roughly decrease in d32, which was attributed to an increase in the coalescence-inhibiting tendency in the presence of surface contaminant molecules, including hydrocarbon compounds and surfactants. It was predicated that changes in gas–liquid mass transfer and hydrodynamic behavior resulted from surface contamination and that the significant parameters was the reduction in surface tension and increasing of solubility of oxygen in hydrocarbons. Bubbles tend to become smaller with decreasing surface tension and therefore kLa increases due to increasing of a. Also, the result showed that the presence of surface contaminants decrease kL due to lower degree of turbulence in liquid film around bubbles and increasing the liquid phase mass transfer resistance. The kL value remained approximately constant. Empirical correlations were developed that related ?g and kLa to d32, ug and ? inside the bioreactor. Also new dimensionless correlations are developed for Sherwood number that related Re and Bo number.
