18349

۱۸۳۴۹

بررسي تجربي و مدلسازي اثر ميدان الكتريكي بر عملكرد فرآيند جداسازي غشائي امولسيون نفت - در - آب

دكتري

مهندسي شيمي

آبان ماه ۱۳۹۶

دكتر نواله كثيري - دكتر تورج محمدي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

فرآيند جداسازي غشائي امولسيون نفت-در-آب به¬دليل اهميت آن از منظر تصفيه آب آلوده در نواحي نفت خيز، بخش عمده¬اي از توجه محققان را به خود اختصاص داده است. در اين تحقيق، با تكيه بر قابليت¬هاي روش ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) و به كمك نرم¬افزار فلوئنت (Fluent) نسخه 15، يك مدل ميكروسكوپي براي بررسي رفتار قطره نفتي توسعه يافت. اين مدل با كمك اطلاعات آزمايشگاهي استخراج شده از منابع مطالعاتي، اعتبارسنجي شد. سپس با استفاده از نرم¬افزار Design expert نسخه 7، به كمك روش¬هاي طراحي آزمايش، تأثير شرايط مختلف عملياتي و فيزيكي بر فشار بحراني تراوش به¬عنوان معياري از رفتار قطره، مورد مطالعه قرار گرفت. فشار بحراني تراوش در قالب يك رابطه درجه دوم با خطاي %7- در مقايسه با نتايج مدل CFD، در شرايط بهينه، بيان شد. براي كاهش پديده گرفتگي غشا توسط قطرات نفت از قابليت نيروي دي¬الكتروفورز در دفع قطرات نفتي از سطح غشا استفاده شد. مطالعه تئوري تأثير القاي ميدان از طريق توسعه مدل ميكروسكوپي الكتروميكروفيلتراسيون، كارايي القاي ميدان الكتريكي بر بهبود فرآيند را اثبات كرد. اعتبار اين مدل نيز، به¬كمك اطلاعات آزمايشگاهي موجود در مراجع در خصوص فاصله تأثيرگذاري نيروي دي¬الكتروفورز، تائيد شد سپس براي بررسي جامع ولتاژ بحراني با طراحي آزمايش تلفيق شد. انجام مطالعات آماري روي طراحي آزمايش منجر به رابطه درجه دوم براي جذر ولتاژ بحراني شد كه در نقطه بهينه (كمينه ولتاژ بحراني) كمتر از 9% خطا با نتيجه مدل CFD داشت. براي بررسي امكان عملياتي شدن فرايند الكتروفيلتراسيون نفت در آب، يك سامانه آزمايشگاهي الكتروميكروفيلتراسيون بر پايه القاي ميدان الكتريكي متناوب (AC) طراحي و ساخته شد. اين سامانه در شرايط عملياتي معين و فقط با تغيير اختلاف پتانسيل الكتريكي، تأثيرگذاري استفاده از انرژي الكتريكي در بهبود عملكرد سامانه را به اثبات رساند. با در نظر گرفتن فشار عملياتي، عدد رينولدز، غلظت فاز نفتي و اختلاف پتانسيل الكتريكي به¬عنوان متغيرهاي سامانه، كميت¬هاي شار تراوشي در حالت پايا و مقدار درصد پس¬زني نفت از غشا به¬عنوان دو پاسخ سامانه، انتخاب شدند. در نهايت تابعيت هريك از پاسخ¬ها از متغيرهاي سامانه، بر اساس نتايج آزمايش¬ها ارائه گرديد كه در نقطه بهينه به¬ترتيب %4/3 و %6 خطا در شار پايا و مقدار درصد پس¬زني نسبت به نتايج آزمايشگاهي داشتند. واژه هاي كليدي: ميكروفيلتراسيون نفت-در-آب، الكتروفيلتراسيون، دي¬الكتروفورز، مدلسازي رفتار تك قطره، ديناميك سيالات محاسباتي، فشار بحراني تراوش، ولتاژ بحراني جدايش، طراحي آزمايش

1396/10/27

1/17/2018 12:00:00 AM

Abstract: In recent years, valuable information on polarization layer formation and flux decrease during time has been obtained from membrane process modeling studies. Oil in water emulsion separation by membrane process has been one important research topic due to wide spread problem of water pollution by oil especially in oil field areas. In this thesis, capability of computational fluid dynamics (CFD) in gathering required information was applied to develop a microscopic model for investigating oil droplet behavior immersed in water on a membrane surface. Then experimental design tools were used to investigate the effect of different operational and physical variables on critical permeation pressure as an indicator of droplet behavior. Critical permeation pressure was reported according to statistical analysis by a second order polynomial which deviates -7% with CFD prediction under optimum operational and physical conditions. Then, in order to decrease membrane fouling by oil droplet, dielectrophoresis (DEP) force capability in oil droplet repulsion from membrane surface was applied. DEP effect on process performance improvement was confirmed theoretically by microscopic electrofiltration model development. After model validation by available experimental information in the literature, comprehensive study of critical voltage as a representative of droplet behavior in presence of DEP was started. Analysis of variance on the experimental design outcome, resulted in a second order polynomial for square root of critical voltage which deviates about -4% from CFD prediction at optimum conditions. In order to assess DEP effect in real experimental system, an experimental setup with a module suitable for electrofiltration was designed and fabricated. This experimental setup proved DEP effect on process performance improvement and flux increase under constant operational condition and different values of applied voltage. By considering operational pressure, cross flow velocity, oil concentration and applied voltage as system variables, flux and rejection were studied as response functions. After appropriate experimental design and analysis of variance, functionality of each response function from variables were obtained which showed 3.4% and 6% deviations under steady conditions respectively. Keywords: Oil in Water Microfiltration, Electrofiltration, Dilecetrophoresis, Critical Permeation Presuure, Critical Detachment Voltage, Single Droplet Modeling, Computational Fluid Dynamics, Experimental Design