شماره ركورد
20651
شماره راهنما(اين فيلد مربوط به كارشناس ميباشد لطفا آن را خالي بگذاريد)
۲۰۶۵۱
پديد آورنده
سپيده رشدي ديلمقاني
عنوان
مدلسازي و بررسي تجربي هيدروديناميك و انتقال جرم تك قطره نانو سيال در فرآيند استخراج مايع-مايع
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
تاريخ دفاع
۱۳۹۷/۱۲/۱۵
استاد راهنما
دكتر كثيري - دكتر رهبر
دانشكده
مهندسي شيمي، نفت و گاز
چكيده
در اين رساله به بررسي تأثير نانوذرات در انتقال جرم و هيدروديناميك سيستم تك قطره به روش تجربي پرداختهشده است، همچنين هيدروديناميك و انتقال جرم سيستم تك قطره به روش CFD بررسي شده است. در فاز مدلسازي هيدروديناميكي، سه سيستم استاندارد استخراج مايع-مايع با ديدگاه VOF توسط دو مدل كشش سطحي CSS و CSF در سه رژيم كروي، چرخشي و نوساني شبيه¬سازي شدند. با تغيير مدل كشش سطحي از CSF به CSS، خطاي شبيه¬سازي به دليل كاهش جريان¬هاي پارازيتي كاهش يافت. بيشترين مقدار كاهش خطا از 88/9 به 63/3 % ، براي سيستم تولوئن- آب به دست آمد. در گام بعدي به بررسي هيدروديناميك سيستم تولوئن-آب در حضور نانوذرات SiO2 در سه رژيم حركت قطره پرداخته شد. نتايج شبيه¬سازي نشان داد كه هيدروديناميك سيستم تك قطره متأثر از نانوذرات نمي¬باشد. به منظور كاهش زمان محاسباتي، الگوريتم دستگاه مختصات متحرك در محاسبات موازي در نرم¬افزار فلوئنت توسط كدهاي كاربر پياده¬سازي شد كه منجر به كاهش چشمگير زمان محاسباتي شد. مدل هيدروديناميكي در بازه عدد رينولدز 16 تا 1200، عدد وبر 04/0 تا 14، عدد اتووس 02/0 تا 23، عدد كاپيلاري 001/0 تا 05/0 و عدد مورتن 11-10×9/1 تا6-10×2/1 به كار رفت و روابط جديد سرعت حدي توسط الگوريتم ژنتيك توسعه داده شد. در فاز مدلسازي انتقال جرمي، كدهاي انتقال جرمي به روش VOF و روش تك معادله¬اي به نرم¬افزار فلوئنت اضافه شدند و پس از اعتبارسنجي با نتايج مراجع، نتايج انتقال جرمي در بازه عدد رينولدز 30تا 66، عدد وبر 3/0 تا 49/1، عدد اتووس 48/0 تا 83/4 ، عدد كاپيلاري 01/0 تا 22/0 و عدد اشميت 105×2 گزارش شدند. همچنين نتايج مدل انتقال جرمي در حالت كشش سطحي وابسته به غلظت( پديده مارانگوني) و در حالت انتقال جرم به همراه واكنش نيز ارائه شدند. مدل مارانگوني با مدل كشش سطحي CSS در بازه غلظت 5/7 تا 30 گرم بر ليتر، مطابقت خوبي با داده¬هاي تجربي موجود در مراجع نشان داد. در فاز تجربي، به بررسي عملكرد سامانه تك قطره بوتانول- اسيد سوكسينيك-آب در حضور نانوذرات آبدوست SiO2 در محدوده عدد رينولدز 81 تا 206، عدد وبر 2 تا 8، عدد كاپيلاري 03/0، عدد اتووس 9/1 و عدد اشميت104×73/1 پرداخته شد. مشاهدات تجربي به روش پردازش تصوير، عدم تأثيرپذيري هيدروديناميك سيستم از نانوذرات را نشان داد. از منظر انتقال جرمي، نانوذرات آب¬دوست سبب كاهش ضريب انتقال با بيشترين كاهش84/53 % و ميانگين كاهش 76/25 % شدند. دلايل محتمل بر كاهش انتقال جرم، كاهش حجم آزاد و پيچيدگي مسير انتقال جرمي در حضور نانوذرات و اشباعيت نسبي فصل مشترك از نانوذرات مي¬باشند. از نتايج آزمايشهاي تجربي، رابطه¬اي براي ضريب انتقال جرم كلي ، همچنين رابطه¬اي نيز براي ضريب نفوذ مؤثر توسعه داده شد. رابطه ضريب انتقال جرم كلي مي¬تواند براي پيش¬بيني ضريب انتقال جرم هر سيستم استخراج مايع-مايع در حضور نانوذرات كاربرد داشته باشد كه داراي مقاومت دوفازي است. در فاز بعدي مدلسازي انتقال جرمي CFD، به مدلسازي سيستم بوتانول- اسيد سوكسينيك – آب پرداخته شد و نتايج شبيه¬سازي تطابق خوبي را با نتايج تجربي نشان دادند.
تاريخ ورود اطلاعات
1398/03/27
عنوان به انگليسي
Modeling and Experimental Investigation of the Hydrodynamics and Mass transfer of Nanofluid Single drop in the Liquid-Liquid Extraction
تاريخ بهره برداري
6/17/2019 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سپيده رشدي ديلمقاني
چكيده به لاتين
Experimental investigation of the NP’s effects on the hydrodynamics and the mass transfer of the single drop system has been considered in the present study. The hydrodynamics and the mass transfer of LLE single drop system have been investigated using the CFD. In the hydrodynamic stage, the three standard LLE systems have been simulated using the VOF with the two surface tension models of CSF and CSS in the spherical, circulating and oscillating regimes. With the change of the surface tension model from the CSF to the CSS, the relative errors have reduced due to the reduction of the parasitic current effects. The maximum reduction in absolute average relative error was from 9.88 to 3.63% in the toluene/water system with maximum parasitic currents. In the further simulations, the SiO2 NP’s effects on the hydrodynamics of toluene /water system have been investigated, reporting an insignificant effect of NPs on the hydrodynamics, which was also previously approved by the experimental observations. In order to reduce the computational time, the moving reference frame algorithm was developed in Fluent software in the parallel processing form. The hydrodynamic model has been used in different LLE systems over the wide range of the Re number from 16 to 1600, the Weber of 0.04 to 14, the Eötvös of 0.02 to 23, the Capillary of 0.001 to 0.05 and the Morton of 1.9×10-11 to 1.2×10-6. From the hydrodynamic simulations, the new correlations of terminal velocity have been developed using the Genetic algorithm. In the mass transfer stage, the mass transfer codes have been supplemented to the Fluent software in the single equation form. After the verification, the mass transfer model has been used over the range of the Re number from 3 to 7, the Capillary of 0.05 to 0.26, the Eötvös of 0.4 to 5 and the Schmidt of 5×104 to 2×105. The Mass transfer model has been used in the cases of Marangoni convection effects and chemical reaction state. Marangoni model showed a good degree of verification in the concentration range of 7.5 to 30 g/L. In the experimental stage, the effects of hydrophilic SiO2 NPs have been investigated on the hydrodynamic and mass transfer performance of butanol-succinic acid-water in the single drop system over the Re number range of 81 to 206, the Weber of 2 to 8 , the capillary of 0.03, the Eötvös of 1.9 and the Schmidt of 1.52 ×104. The experimental observations showed no considerable effects of NPs on the hydrodynamics using an image processing tool. In the mass transfer investigations, the presence of hydrophilic NPs caused the average reduction of about 25.76 percent and the maximum deterioration of about 53.84 percent in the mass transfer coefficient. The possible reasons for the mass transfer deterioration are the free volume reduction, the tortuosity effects and the relative saturation of interfacial area from the NPs. A new overall mass transfer coefficient correlation and a correlation for the effective diffusivity in the presence of NPs have been developed. The new form of the overall mass transfer coefficient can be used in any LLE system with the resistances in two phases in the presence of NPs. In the next CFD modeling phase, the developed mass transfer model has been used in the butanol- succinic acid-water system, representing the good agreements with the experimental data.