27347

مطالعه تجربي و مدلسازي پارامترهاي هيدروديناميكي و ضرايب انتقال جرمي در ستون ضربهاي سيني دار افقي-عمودي (L- شكل)

دكتري تخصصي

مهندسي شيمي

1401

1401/06/08

دكتر احد قائمي

دكتر عليرضا همتي

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در اين تحقيق رفتار هيدروديناميكي و انتقال جرمي يك ستون استخراج ضربهاي افقي-عمودي از نوع سينيدار در مقياس نيمه صنعتي در فرآيند استخراج اورانيوم از محلول نيترات اورانيل توسط محلول ((v/v)30%) تري بوتيل فسفات (تيبيپي)/ كروزن مورد بررسي قرار گرفته است. ستون‌هاي ضربه‌اي در دو ساختار عمودي و افقي طراحي و ساخته شده‌اند. مشكل ارتفاع زياد نمونه صنعتي ستون‌ عمودي و همچنين ظرفيت پايين ستون‌ افقي به دليل عدم بهره مندي از نيروي شناوري، سبب شده است ساختار سوم افقي-عمودي مدنظر قرار گيرد و بتوان با تركيب آنها از مزاياي هر دو ساختار بهره برد و معايب آنها را پوشش داد. با اين كار ارتفاع زياد نمونه صنعتي با افقي ساختن بخشي از آن كاهش مي‌يابد و ظرفيت قسمت افقي نيز به دليل نيروي مكش ايجاد شده در نقطه اتصال دو بخش افزايش مي‌يابد. همچنين علاوه بر سيستم شيميايي نيترات اورانيل، به منظور بررسي پارامترهاي هيدروديناميكي بطور جامع، چهار سيستم شيميايي ديگر با كشش سطحيهاي متفاوت تحت شرايط بدون انتقال جرم شامل آب- كروزن، اسيد نيتريك- ((v/v)5%) تيبيپي/ كروزن، اسيد نيتريك- ((v/v) 15%) تيبيپي/ كروزن و اسيد نيتريك- ((v/v)30%) تيبيپي/ كروزن مورد آزمايش قرار گرفتهاند. پارامترهاي مورد بررسي شامل اندازه قطرهها، توزيع اندازه قطرهها، موجودي فاز پراكنده، سرعت لغزشي و ضريب حجمي انتقال جرم و ضرايب پراكندگي محوري فاز پيوسته و پراكنده بوده‌اند كه با تغيير پارامترهاي عملياتي نظير شدت ضربه، دبي حجمي فازهاي پراكنده و پيوسته مورد آناليز حساسيت قرار گرفته‌اند. مشاهدات تجربي گوياي آن است كه شدت ضربه بيشترين تاثير را بر رفتار پارامترهاي مورد بررسي داشته است به طوريكه افزايش آن ضمن كاهش اندازه قطره تا 55%، موجب افزايش شدت انتقال جرم تا 66% مي‌گردد. همچنين افزايش شدت ضربه منجر به كاهش موجودي فاز پراكنده تا 47% در هر دو بخش ستون مي‌شود. دبي فاز پراكنده تأثير بيشتري بر روي موجودي فاز پراكنده نسبت به دبي فاز پيوسته دارد. به منظور تعيين ضرايب انتقال جرم، جريان‌هاي فازي به كمك سه مدل جريان قالبي، اختلاط محوري و اختلاط پيشرو مورد مدلسازي قرار گرفته‌اند كه مدل اختلاط محوري و اختلاط پيشرو نتايج به مراتب دقيق‌تري نسبت به مدل جريان قالبي ارائه دادند. به طوريكه ميانگين خطاي حاصل از پيش‌بيني توزيع غلظت جزء منتقل شونده در طول ستون براي مدل اختلاط محوري و اختلاط پيشرو كمتر از 10‌% مي‌باشد در حاليكه همين خطا براي مدل جريان قالبي كمتر از 30‌% است. علاوه بر اين نتايج نشان داد كه افزايش پارامترهاي عملياتي موجب افزايش ضريب كلي حجمي انتقال جرم مي‌شود. ضرايب پراكندگي محوري فاز پيوسته و پراكنده به‌شدت تحت تأثير شدت ضربه قرار دارند و ضريب پراكندگي محوري فاز پيوسته به‌طور قابل‌توجهي بالاتر از ضريب پراكندگي محوري فاز پراكنده است. در نهايت با استفاده از آناليز ابعادي و اعداد بدون بعد روابطي به منظور پيش‌بيني پارامترهاي هيدروديناميكي و ضرايب انتقال جرمي براساس هر يك از مدلهاي انتقال جرم در ستون استخراج ضربه‌اي سينيدار افقي- عمودي، پيشنهاد شده است كه با ميانگين خطاي نسبي مطلق كمتر از 10% توافق خوبي با داده‌هاي تجربي از خود نشان مي‌دهند.

1401/08/01

Experimental study and modeling of hydrodynamic parameters and mass transfer coefficients in a horizontal-vertical (L-shaped) pulsed sieve-plate column

11/22/2023 12:00:00 AM

In this thesis, the behavior of hydrodynamic and mass transfer of a pilot plant horizontal-vertical pulsed sieve plate extraction column has been investigated in the process of extracting uranium from uranyl nitrate solution by 30% (v/v) tri-butyl phosphate (TBP)/ kerosene. Pulsed columns are designed and built in two vertical and horizontal structures. The problem of the high height of the industrial example of the vertical column, as well as the low capacity of the horizontal column due to the lack of buoyancy force, has caused the third horizontal-vertical structure (L-Shaped) to be considered, and by combining them, it is possible to take advantage of the advantages of both structures and cover their disadvantages. gave With this work, the high height of the industrial sample is reduced by making a part of it horizontal, and the capacity of the horizontal part is also increased due to the suction force created at the connection point of the two parts. In order to investigate hydrodynamic parameters comprehensively, In addition to the uranyl nitrate chemical system, four other chemical systems with different interfacial tension under conditions without mass transfer, including water- Kerosene, nitric acid- (5% (v/v)) TBP/ Kerosene, nitric acid-(15% (v/v)) TBP/ Kerosene and nitric acid-(30% (v/v)) TBP/Kerosene was tested. The investigated parameters include droplet size, droplet size distribution, dispersed phase holdup, sliding velocity, overall volumetric coefficient of mass transfer, and axial dispersion coefficients of continuous and dispersed phase, which by changing operational parameters such as pulsation intensity, volumetric flow rate of dispersed and continuous phases have been subject to sensitivity analysis. Experimental observations show that the pulsation intensity has the greatest impact on the behavior of the studied parameters, so that its increase, while reducing the droplet size by 55%, increases the intensity of mass transfer by 66%. Also, increasing the pulsation intensity leads to a decrease in the amount of dispersed phase hold up to 47% in both parts of the column. Dispersed phase flow rate has a greater effect on dispersed phase holdup than continuous phase flow rate. In order to determine the mass transfer coefficients, phase flows have been modeled with the help of three models of plug flow, axial mixing and forward mixing, and the axial mixing and forward mixing models provided far more accurate results than the plug flow model. So the average error of the prediction of the concentration distribution of the transported component along the length of the column for the axial mixing and forward mixing model is less than 10%, while the same error for the plug flow model is less than 30%. In addition, the results showed that increasing the operating parameters increases the overall volumetric coefficient of mass transfer. The axial dispersion coefficients of the continuous and dispersed phase are strongly affected by the pulsation intensity, and the axial dispersion coefficient of the continuous phase is significantly higher than the axial dispersion coefficient of the dispersed phase. Finally, by dimensional analysis and relational dimensionless numbers in order to predict hydrodynamic parameters and mass transfer coefficients based on each of the mass transfer models in the horizontal-vertical pulsed sieve plate extraction column, it is suggested that with an average absolute relative error less than 10% show a good agreement with the experimental data.

استخراج مايع- مايع , ،ستون ضربهاي سينيدار افقي- عمودي , ، نيترات اورانيل , ضريب انتقال جرم , ، مدل پراكندگي محوري , مدل اختلاط پيشرو.

Liquid-liquid extraction , Horizontal- vertical pulsed sieve plate column , Nitrate uranyl , Mass transfer coefficient , Axial dispersion model , Forward mixing model

Fatemeh Ardestani

Dr. Ahad Ghaemi and Dr. Seyed Jaber Safdari