26627

شبيه سازي استخراج فلز پلاتين با حلال توسط سامانه چندجرياني ريزسيالشي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي- طراحي فرايند

1397

1400/12/14

شاهرخ شاه حسيني

معين نواب كاشاني

مهندسي شيمي، نفت و گاز

سامانه¬هاي ريزسيالشي، داراي ابعاد كوچك سيال (ميكرون) مي¬باشند كه نسبت سطح به حجم بالايي را براي انتقال¬جرم و حرارت سريع، در اختيار مي¬گذارند. به¬دليل حجم كمتر، فرآيندهاي سريع¬تر، هزينه¬هاي كم، قابليت حمل، راندمان و ايمني بالا؛ سامانه¬هاي ريزسيالشي به¬عنوان يك ابزار تشديد فرآيند كاربردهاي ميكروشيميايي، ميكروبيولوژي، پزشكي و... را دارند. استخراج فلز با حلال، يك فرآيند بالقوه است كه دو فاز (آبي و آلي) غيرقابل¬امتزاج با هم تماس پيدا مي¬كنند. براي استخراج سريع فلز (فلزات پايه، گران¬بها، راديوايزوتوپ¬ها و...) از محيط آبي، نسبت سطح به حجم بالا مورد نياز است كه در يك سامانه ريزسيالشي قابل¬ دستيابي است. با وجود مزاياي ذكر گرديده، توان حجمي كم، دليل استفاده كمتر از اين سامانه در صنعت بوده ¬است. علاوه بر روش موازي¬سازي، Kriel و همكارانش يك سامانه جديد چندجرياني حاوي 49 جريان موازي هم¬سو با توان حجمي بسيار بالا نسبت به سامانه¬هاي قبلي طراحي كرده¬اند كه در تحقيق حاضر به -بررسي عددي پديده¬ انتقال¬جرم با بسته تجاري نرم¬افزار ANSYS FLUENT پرداخته شده¬است. براي بررسي انتقال هگزاكلروپلاتين از محيط آبي به آلي (آمين نوع دوم) دو حالت شبيه¬سازي تك¬فاز (براي اولين بار) و دوفاز مورد بررسي قرار گرفت. در حالت شبيه¬سازي تك¬فاز ديواره¬هاي متحرك به¬عنوان فصل مشترك فازي با اعمال كسرجرمي تعادلي ثابت در نظر گرفته شد. براي شبيه¬سازي هيدروديناميك حالت دوفازي از شرط مرزي پريوديك و مدل¬چندفازي VOF براي رديابي فصل مشترك دو فاز غيرقابل¬امتزاج آلي و آبي استفاده¬ شد. براي كاهش زمان محاسباتي، حل مسئله به¬صورت پايا صورت گرفت. مدل انتقال گونه براي بررسي توزيع كسرجرمي گونه حل¬شونده براي هر دو حالت شبيه¬سازي انتخاب شد. مكانيسم انتقال جرم با استفاده از قانون اول نفوذ فيك توسط كدنويسي نرم¬افزار با اعمال ترم چشمه براي معادلات كسرحجمي فازها و انتقال گونه ميسر گرديد. نتايج شبيه¬سازي براي هر دو حالت با حداكثر خطاي نسبي 12% نسبت به نتايج آزمايشگاهي مورد اعتبارسنجي قرار گرفت. نتايج عددي نشان مي¬دهد كه با افزايش زمان ماند (0.4 ثانيه تا 1.2 ثانيه) در يك نسبت فازي مشخص (2.2)، به¬دليل تماس فازي بيشتر؛ راندمان استخراج با 5% خطاي نسبي تا 80% بهبود مي¬يابد و در يك زمان ماند ثابت (بيشينه 3 ثانيه) نيز، با افزايش نسبت فازي (0.5 تا 2.2) به¬علت افزايش پتانسيل شيميايي (قابليت انحلال) فاز گيرنده براي گونه حل¬شونده؛ راندمان استخراج روند صعودي و بيشينه مقدار 95.3% دارد. ضريب حجمي كلي انتقال جرم نيز در يك نسبت فازي مشخص با زمان ماند رابطه عكس و در مقابل در يك زمان ماند مشخص، با مقدار نسبت فازي رابطه مستقيم دارد.

1401/03/23

Simulation of Solvent Extraction (Separation of Platinum Metal) with a Multi-Stream Microfluidic Device

3/5/2023 12:00:00 AM

Microfluidic systems have small fluid dimensions (microns) that provide a high surface-to-volume ratio for rapid mass and heat transfer. Due to smaller volume, faster processes, lower costs, portability, efficiency and high safety; Microfluidic systems as a process intensification tool have microchemical applications, microbiology, medicine and .... Solvent metal extraction (SX) is a potential process in which two immiscible phases (aqueous and organic) come into contact. For rapid extraction of metal (base metals, precious metals, radioisotopes, etc.) from the aquatic environment, a high surface-to-volume ratio is required, which can be achieved in a microfluidic system. Despite the mentioned advantages, low volumetric throughput has been the reason for less use of this system in industry. In addition to the parallelization method, Kriel et al. Have designed a new multi-stream system containing 49 parallel streams with very high volumetric throughput compared to previous systems. Has been paid. To investigate the transfer of platinum from aqueous to organic phase (type secondary amine), two single-phase and two-phase simulation models were investigated. In the single-phase simulation mode, the moving walls were considered as an interface with a constant equilibrium mass fraction. To simulate two-phase hydrodynamics, the periodic boundary condition and the VOF multiphase model were used to track the interface between the two immiscible organic and aqueous phases. To reduce the computational time, the problem was solved steady state. The species transport model was selected to investigate the mass fraction distribution of soluble species for both simulation modes. The mass transfer mechanism was made possible by using the first Fick’s law penetration by software coding by applying the source term for the phase fraction equations and species transport. The simulation results were validated for both cases with a maximum relative error of 12% compared to the experimental results. Numerical results show that with increasing contact time (0.4 to 1.2 sec) in a certain phase ratio (2.2), due to more interface contact; The extraction efficiency (with 5% error) improved by up to 80% and at a constant contact time (maximum 3 sec), with increasing phase ratio (0.5 to 2.2) due to increased chemical potential (solubility) of the receptor phase for the solute species; extraction efficiency is on the rise and it has maximum of 95.3%. The total volumetric mass transfer coefficient in a certain phase ratio is inversely related to the contact time and in contrast in a certain contact time, is directly related to the phase ratio value.

Alireza Kamrani

Dr. Shahrokh Shah Hosseini