عنوان پایان‌نامه
مدل سازی بسترهای جذب پرشده با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی جهت جذب دی اکسید کربن از گاز طبیعی توسط غربال های مولکولی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی-انرژی و محیط زیست
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1603.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 68944
- تاریخ دفاع
- ۰۱ بهمن ۱۳۹۳
- دانشجو
- احمد حقوقی بنیاد
- استاد راهنما
- شهره فاطمی, زهرا منصور پور
- چکیده
- جداسازی گازها عملی رایج در صنعت است و روش جذب سطحی، عملیات واحدی است که با داشتن مزایای خاص خود در طرح های جداسازی حضور داشته و دارد. از سوی دیگر هنوز بسیاری از واحد های جذب سطحی نیازمند تسلط به جنبه های مبهم این عملیات و تاثیرات متقابل فاز گاز و جاذب دارند. دینامیک سیالات محاسباتی ابزاری است که امکان دستیابی به اطلاعات جاذب و سیال را در نقاطی که امکان اندازه¬گیری وجود ندارد، محیا می¬کند. در این تحقیق بستر ثابت جذب سطحی، با استفاده از CFD مدل سازی شد. استفاده از روش اویلر-لاگرانژ باعث می شود اطلاعات هر قرص جاذب مانند ابعاد، مکان، دما و غلظت در دسترس بوده و امکان مطالعه ی پدیده هایی مانند جذب سطحی را راحت تر فراهم کند. روش DEM چینش ذرات را همانند پر کردن فیزیکی بستر شبیه سازی می کند و توزیع تخلخل بستر برابر با مقادیر واقعی و آزمایشگاهی به دست می آید. محاسبات هیدرودینامیک بستر با استفاده از الگوریتم SIMPLE و کد نویسی در زبان برنامه نویسی Fortran انجام گرفت. پدیده های انتقال حرارت و انتقال جرم در داخل سیال و بین سیال و ذره¬ی جاذب انجام شده و در نهایت نتایج حاصل از مدل سازی با نتایج آزمایشگاهی برای جذب گاز CO_2 از جریان گاز CH_4 که محتوی 10% مولی از کربن دی اکسید بود ارزش گذاری شد. از این مدل سازی که آنالیز حساسیت آن نسبت به تغییرات دبی جریان، دمای سیال و فشار بستر بررسی شده می توان برای مطالعه ی رفتار حرارتی و غلظتی بستر استفاده کرد. مطالعه ی تخلخل محلی و کلی بستر حاصل از چینش انجام گرفته توسط کد و بررسی تاثیر دبی جریان ورودی روی بازدهی بستر با شاخصی به نام HETP مباحثی است که در این نوشتار به آنها پرداخته شده است. نتایج جذب دینامیک بستر آزمایشگاهی با ابعاد قطر و طول به ترتیب برابر با 1.27 cm و 7cm در دسترس بوده است. مقایسه ی نتایج این بستر با نتایج حاصل از مدل تطابق قابل قبول این دو را با مقادیر MAPE=4% و یا ضریب همبستگی در نمودار شکست برابر با 0.999 نشان می دهد. همچنین پدیده ی کانالیزه شدن جریان نزدیک دیواره در دو محدوده متفاوت Pe کوچکتر و بزرگتر از 2 مقایسه شد. بررسی های انجام گرفته روی «مطالعه¬ی بازدهی بستر با شاخص HETP»، حداقل مقدار معقول سرعت خطی گاز ورودی به بستر را برابر با 0.5 cm.s^(-1) گزارش می کند.
- Abstract
- One of the most prevalent tasks in industry is separation of gases. Among other unit operations, regarding its advantages, adsorption is one of omnipresent operations in plants. On the other hand still there are ambiguities in operation sides and reciprocal effects of solid presence inside fluid stream on mass transfer phenomena in both phases and hydrodynamic aspects. Computational fluid dynamics (CFD) is an efficient tool which offers information of solid or fluid specifications in points of bed which experimental measurement is impractical. In this work, the adsorption of CH_4 and CO_2 in a fixed bed was modeled using CFD. Euler-Lagrange method gives access to specification of each adsorbent pellet including location, temperature and concentrations and facilitates study of surficial phenomena like adsorption. Use of DEM method gives opportunity to set arrangement of particles similar to what happens in real packing procedure and results in exact calculation of local voidage. Hydrodynamic of gas stream in bed was done using SIMPLE method by Code program written in Fortran language. Transfer phenomena including heat and mass transfer in fluid and between solid-gas was taken into account and eventually model was validated by breakthrough curve result from experiment. Dynamic adsorptions was examined on a CH_4 stream containing 10% mol CO_2 going through bed with dimensions equal to 1.27 cm and 7cm for diameter and length, respectively. Sensitivity of model to input stream volumetric flow rate, fluid temperature and operational pressure of bed was analyzed. This model can be used for study of thermal and concentration treatment. Local and total voidage and effect of input stream rate on efficiency of bed are addressed in this work. Validation of the model was inspected using results from dynamic adsorption experiments. Breakthrough curve was validated with mean absolute percentage error (MAPE) of 4% or correlation coefficient equal to 0.999. Also local and total voidage was confirmed by Klerk and Dixon correlation, respectively. In addition, near wall effect was examined in two different regions where diffusion mechanism is dominant (Pe<2) or majority of transfer is done by bulk motion (Pe>2).a minimum amount of inlet velocity equal to 0.5 cm.s^(-1) is recommended by inspection on bed efficiency using HETP index.
