17853

17853

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

كارشناسي ارشد

طراحي، شبيه سازي و كنترل فرآيندها

تير 1396

دكتر احد قائمي - دكتر منصور شيرواني

مهندسي شيمي

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.

1396/07/04

1/1/1900 12:00:00 AM

Bubble column reactors are intensively used as a multiphase contactors and reactors in many industries. They have many advantages compared to other reactors, such as simple geometry, high mass and heat transfer coefficients, low operating and maintenance costs. In present study, the bubble column has been applied in order to reactive absorption of the carbon dioxide (CO2) by aqueous piperazine (PZ) solutions. Due to the very highly reactivity with CO2 and low regeneration energy, PZ is commonly used as promoter in CO2 absorption processes. In a gas-liquid system with the chemical reaction, the interactions between the prevailing processes are very complex. Therefore, the mathematical model that used to express reactive absorption process in bubble columns should be include the hydrodynamics, mass transfer, heat transfer and kinetics of chemical reactions. In this work a two-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model in Eulerian framework has been used to description of the transport phenomena in the bubble column. For the numerical solution of governing equations, the space-time conservation element and solution element (CESE) method has been applied. The CESE is a high-resolution CFD method for solving conservation laws. Basically, the methodology and concept of CESE is different from the other traditional methods. This method has been designed to overcome the disadvantages of other conventional methods. The MATLAB software has been used to solving the governing equations. The piperazine concentration, CO2 partial pressure, stirrer speed and liquid flow rate were in the range of 0.1–0.5 M, 20–36 kpa, 0–300 rpm and 0-2 lit.h-1, respectively. Also, operation condition for temperature and pressure were constant values of 295 K and 1 atm, respectively. The experimental results show that CO2 removal efficiency and gas holdup were varied in range of 65.5–82.1% and 0.06–0.076, respectively. The simulation results illustrate the 3% error in in gas holdup prediction and 5–12% for CO2 removal efficiency.