18330

۱۸۳۳۰

مدلسازي رياضي كاركرد جداسازي غشا زئوليتي براي گازهاي N2،H2 ، CO2 و CH4

كارشناسي ارشد

فرايندهاي جداسازي

شهريور ۱۳۹۶

دكتر تورج محمدي - دكتر اميد بختياري

مهندسي شيمي نفت و گاز

در سال‌هاي اخير استفاده غشاءهاي جداسازي گاز به عنوان يكي از روش‌هاي موثر با مصرف انرژي كمتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. در تحقيق حاضر، غشاء زئوليتي ديسكي شكل MFI براي جداسازي مخلوط هيدروژن- دي‌اكسيد‌كربن و غشاء لوله‌اي SAPO-34 براي جداسازي مخلوط دي‌اكسيد كربن‌- متان، بررسي شد، و يك مدل براي توصيف جداسازي مخلوط دوجزئي در آنها توسعه داده شد. در اين پژوهش معادلات انتقال از ميان غشاء به صورت تركيبي از مكانيزم‌هاي نفوذ نادسن و نفوذ ويسكوز از درون پايه‌ها و ترك‌ها و مكانيزم نفوذ سطحي از ميان كريستال‌هاي زئوليتي درنظر گرفته شد و مدلسازي با با كمك كدنويسي معادله هاي انتقال جرم در نرم افزار MATLAB انجام شد. در اين شيوه‌ با كمك داده‌هاي جذب و تراوش تك‌جزيي، ضرايب نفوذ گازها در هريك از غشاءها به‌دست ‌آمدند. ضرايب نفوذ هيدروژن، متان و دي‌اكسيد كربن به‌ترتيب بيشترين مقدار را داشتند. سپس با كمك پارامترهاي تنظيم شده در مدل تك‌جزيي، مدلسازي براي مخلوط‌هاي دو‌جزيي با استفاده از دو مدل جذب لانگموير چندجزئي و محلول جذب شده‌ي ايده‌آل انجام گرديد و نتايج شارعبوري از غشاء براي مخلوط هاي گازي مذكور به دست آمد. استفاده از تئوري محلول جذب شده‌ي ايده‌آل به عنوان ايزوترم منجر به نتايج بهتري شد. براي مثال در مدلسازي غشاء MFI با نرم افزار MATLAB متوسط خطاي پيش‌بيني شار دي‌اكسيد كربن با مدل لانگموير 51% و با استفاده از مدل محلول ايده‌آل جذب شده كمتر از 6/13% بود. پس از انجام مدلسازي براي غشاء SAPO-34 با نرم افزار MATLAB ، تاثير تغيير در دبي خوراك و كسر مولي خوراك بررسي شد. آناليز حساسيت نشان داد با كاهش دبي خروجي به يك دهم، 94% دي‌اكسيد كربن ورودي از تراوه خارج مي‌شود. كلمات كليدي: غشاء جداسازي گاز، SAPO-34،MFI ، مدلسازي، جذب لانگموير، نفوذ سطحي، معادله ماكسول-استفان.

1396/10/24

1/14/2018 12:00:00 AM

Gas separation processes have many industrial applications due to low-energy consumption and ease of operation in recent years. In the present work, investigation of a disc shape MFI membranes for H2/CO2 gas separation and a tubular SAPO-34 membrane for CH4/CO2 separation has been carried out and a model for describing binary mixture separation has been developed. The permeation of a gas through the zeolite membrane was considered as a couple of mechanisms, including viscous and Knudsen diffusion through support and defects and surface diffusion in zeolite crystals. One approache was used for modeling, including solving mass transfer equation in MATLAB. At first, single gas adsorption equilibrium and permeation data were used to find diffusivity of gas molecules in each zeolite. Order of magnitude of hydrogen, methane and carbon dioxide decreases respectively. Binary mixture separation modeling with these fitted parameters was performed. In this step, two following isotherms were used to describe binary adsorption equilibrium, multi component Langmuir model and ideal adsorption solution theory (IAST). Results showed that IAST has better predictions for both zeolites. For example, mean error of CO2 permeation using Langmuir was 51% and with IAST was 13.6% for MFI membrane. After modeling of SAPO-34 module with MATLAB software effect of change in feed flow rate and feed fraction were explored. Sensitivity analysis shows if feed flow rate decreases to one tenth of original value, then 94% CO2 permeate through membrane. Keywords: Gas separation membrane, MFI, SAPO-34, modeling, computational Fluid Dynamics (CFD), surface diffusion.