20487

۲۰۴۸۷

شبيه‌سازي و مدل‌سازي CFD فرآيند الكتروفيلتراسيون امولسيون نفت در آب به‌صورت ماكروسكوپيك

كارشناسي ارشد

مدلسازي، شبيه سازي و كنترل

۱۳۹۵-۱۳۹۷

۱۳۹۷/۱۲/۱۴

دكتر نوراله كثيري - دكتر تورج محمدي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در فرآيند ميكروفيلتراسيون غشـايي كه نيروي فشاري سبب جداسازي مي‌شود و پس از مدتي شار عبوري در اثر تشكيل لايه رسوب، گرفـتگي حفرات غشا و پديده قطـبيدگي غلظتي به‌شدت دچار كاهش مي‌گردد. روش‌هاي مختلفي براي مبارزه با اين افت شار وجود دارد كه در كنار تمام روش‌هاي سنتي، روش‌هاي جديدي با استفاده از نيروهاي خارجي ازجمله نيروي الكتريكي استفاده‌شده است. القاي ميدان الكتريكي در فرآيندهاي غشايي با تحت تأثير قرار دادن مواد معلق و محدود ساختن حركت اين ذرات به سمت غشا، مي‌تواند فرآيند رسوب ذرات در سطح غشا را محدود كند. اين تحقيق بر شبيه‌سازي و مدل‌سازي فرآيند ميكروفيلتراسيون جريان متقاطع براي امولسيون نفت در آب در غياب و حضور ميدان الكتريكي متمركز خواهد شد. در اين پژوهش، ساختار و گرفتگي حفرات غشا به‌صورت فيزيكي و اثر ساختار آن با استفاده از معادلات حاكم بر غشا در شبيه‌سازي اين فرآيندها در نظر گرفته‌شده است كه باعث افزايش دقت پيش‌بيني شار عبوري تا 15% شد. در غياب ميدان الكتريكي اثر پارامترهاي مختلف ازجمله، فشار متوسط دو سر ماژول (TMP)، سرعت جريان متقاطع (CFV) خوراك و غلظت اوليه نفت در خوراك بر عملكرد فرآيند پيش‌بيني‌شده است. در فرآيند الكتروميكروفيلتراسيون، مدلي تجربي براي پيش‌بيني شار عبوري از غشا در اثر تشكيل لايه رسوب به‌صورت تابعي از داده‌هاي آزمايشگاهي و مدلي نيمه تجربي به‌صورت تابعي از داده‌هاي آزمايشگاهي و شبيه‌سازي براي پيش‌بيني اثرات تشكيل لايه كيك و گرفتگي حفرات غشا به‌صورت همزمان در حضور و غياب ميدان الكتريكي توسعه داده‌شده است. هر دو مدل توسط شارهاي آزمايشگاهي در غياب و حضور ميدان الكتريكي و در پتانسيل‌هاي الكتريكي مختلف اعتبار سنجي شده كه حداكثر خطاي نسبي مدل كمتر از 10% بوده است. اثر پارامترهاي ميدان الكتريكي ازجمله پتانسيل الكتريكي و فاصله بين الكترودها در شبيه‌سازي نيز بررسي‌شده است. با افزايش پتانسيل الكتريكي تا 1000 ولت مي‌توان ضخامت لايه قطبيدگي غلظتي را تقريباً به صفر رساند و همچنين با كاهش فاصله بين الكترودها از 3/2 به 3/1 ميلي‌متر، ضخامت لايه قطبيدگي غلظتي تا 7/2 برابر كاهش مي‌يابد. همچنين ميزان گرفتگي حفرات غشا در حالت‌پايا و تأثير آن بر ميزان كاهش شار عبوري پيش‌بيني‌شده توسط شبيه‌سازي، بررسي شد. واژه‌هاي كليدي: ميكروفيلتراسيون، الكتروميكروفيلتراسيون، شبيه‌سازي و مدل‌سازي، لايه رسوب، گرفتگي داخلي غشا، قطبيدگي غلظتي

1398/02/24

Macroscopic CFD simulation and modeling of electro-microfiltration of oil-in-water emulsion

5/14/2019 12:00:00 AM

In the membrane microfiltration process which pressure force causes separation, the flux is reduced due to cake layer formation, membrane pore blocking and concentration polarization phenomenon. There are many ways to combat this decline which along the all traditional methods, a new methods have been developed using external forces such as electric field. The electric field induction in the membrane processes may limited fouling process on the membrane surface by limiting particles movement towards the membrane and affecting the suspended particles. This research will focus on the simulation and modeling of the cross-flow microfiltration process of oil-in-water emulsion in the absence and the presence of electric field. It is the first time that the membrane structure and pore blocking and its structure effects are considered physically using membrane governing equations in the simulation of these processes, which increased the permeate flux prediction accuracy up to 15%. The effects of various parameters such as the trans-membrane pressure (TMP), the feed cross-flow velocity (CFV) and initial feed oil concentration on process performance are predicted in the absence of the electric field. In the electro-microfiltration process, an empirical model to predict flux passing through the membrane affected by cake formation as a function of experimental data and a semi-empirical model as a function of experimental and simulation results to predict the effects of cake layer formation and membrane pore blocking in the presence and the absence of electric field are developed. Both models are validated by laboratory permeate fluxes in the absence and the presence of electric field under different electric potentials, with a maximum relative error of less than 10%. The effects of electric field parameters such as electric potential and distance between the electrodes in the simulation have been studied. The membrane pore blocking and its effects on the predicted permeate flux reduction in the simulation under steady-state conditions were also investigated. Keywords: Microfiltration and electro-microfiltration, simulation and modeling, cake layer formation, membrane pore blocking, concentration polarization