عنوان پایان‌نامه
مدلسازی غشا لوله ای تو خالی برای جداسازی هیدروژن به روش دینامیک سیالات محاسباتی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندهای جداسازی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1472.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 64108
- تاریخ دفاع
- ۰۱ شهریور ۱۳۹۳
- دانشجو
- عبدالمجید شرف پور
- استاد راهنما
- آزاده غائی, زهرا منصور پور
- چکیده
- در سال های اخیر محققان بدلیل کاربرد های فراوان گاز هیدروژن، بر روی جداسازی آن از مخلوط گازی متمرکز شده اند. چهار روش اصلی که در جداسازی گازها به کار برده می شود عبارت است از: جذب، جذب سطحی، سرمایش و غشاء. مصرف کم انرژی، سازگاری با محیط زیست، سادگی عملیات غشایی و دلائل دیگر باعث شده است که فرایند جداسازی غشایی گازها قابل رقابت با سه روش ذکر شده باشد. بدلیل آنکه آگاهی از اثر پارامتر های مختلف بر طراحی ماژول غشایی دارای اهمیت است، درک رفتار کمی سیستم، تحلیل ریاضی و شبیه سازی مدل بسیار ضروری بنظر می رسد. دینامیک سیالات محاسباتی یکی از روش های مدلسازی است. کاربرد اولیه روش دینامیک سیالات محاسباتی در اعتبار سنجی مدل با داده های تجربی می باشد. داده های تجربی مورد استفاده در این پژوهش از مقاله وانگ و همکاران در سال 2006 میلادی بدست آمده است. دراین پژوهش عملکرد غشاء الیاف توخالی پالادیم برای جداسازی هیدروژن از مخلوط گازی هیدروژن و نیتروژن شبیه سازی شده است. شرایط پایا و ناپایا سه بعدی برای مطالعه غشاء الیاف توخالی انتخاب شده است. روش CFD برای حل معادلات و محاسبه توزیع غلظت با استفاده از معادله پیوستگی اعمال شده است و همچنین برای محاسبه میدان سرعت از معادلات ناویر استوکس استفاده شد. اثر شرایط عملیاتی مختلف مانند دما، فشار و جریان خوراک ورودی و همچنین اثر تعداد غشاء و قطر پوسته بر جداسازی هیدروژن مورد بررسی قرار گرفت که تطابق خوبی با داده های تجربی نشان می دهد. با توجه به اینکه سازوکار غشاء پالادیم انحلال-نفوذ است، سازوکار های قابل مقایسه با آن مانند سازوکار نادسن و پوآزی مورد بررسی قرار گرفت که در نهایت این نتیجه حاصل شد که مکانیزم نادسن در غشاهای پالادیم، مکانیزم حاکم در جداسازی است. با تعریف عدد قطبش غلظت سهم مقاومت های فاز گاز و غشاء در شرایط عملیاتی مختلف مورد تحلیل قرار گرفت. در صورتی که عدد قطبش غلظت کمتر از یک باشد سهم مقاومت غشاء بیشتر از مقاومت در فاز گاز می شود و برعکس. هنگامی که سهم مقاومت توده گاز برابر 8/0 باشد بهترین عملکرد برای جداسازی هیدروژن می باشد. در نهایت با بررسی اثر زمان بر جداسازی هیدروژن از مخلوط گازی مشخص شد که 50 درصد هیدروژن ورودی در 8 درصد اولیه کل زمان نفوذ، در غشاء نفوذ می کند و نیز با بررسی پارامتر مشخصه زمان بار دیگر میزان کنترل کنندگی مقاومت های نفوذ شعاعی، نفوذ در توده غشاء، نفوذ محوری در بالک و مکانیزم نفوذ در شرایط مختلف مورد تحلیل قرار گرفت و با توجه به مشخصه زمان های مختلف شعاع بحرانی غشاء پالادیم برابر 12 میکرومتر بدست آمد.
- Abstract
- In recent years, researchers are focused on Hydrogen separation from gas mixtures. Four main approaches including absorption, adsorption, cooling and membrane have been used for gas separation. The awareness of process parameters effects on membranes modules design is essential. Additionally, simulation is important, in order to understand the behavior of systems. Computational fluid dynamics modeling is one of the methods. The initial application of CFD is validated to experimental data in comparison with modeling results. In this paper a 3D modeling of Pd/?Al2O3 hollow fiber membrane using computational fluid dynamic for H2 separation from gas mixture was considered in steady and unsteady state. The effects of feed flow rate, temperature, pressure, membrane number and diamter of shell on the removal of H2 from H2/N2 mixture were investigated. Comparison the results of simulation with experimental data show good agreement. The pd membrane mechanism of Hydrogen transfer is solution-diffusion that was comparable to Knudsen mechanism. By using the concept of concentration polarization, contribution of mass transfer control in membrane and gas phase could be analyzed. Finally, by examining, the effect of characteristic time on Hydrogen separation was found that 50 percent of Hydrogen mass separation is obtained in initial 8% period of permeation time. Also using characteristic time, contribution of mass transfer resistance in membrane and gas phase can be analyzed and critical radius of palladium membrane is obtained that is equal to 12 .
