مدل‌سازي و بررسي تجربي هيدروديناميك و انتقال جرم تك قطره نانو سيال در فرآيند استخراج مايع-مايع

دكتري

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.

193016

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي شيمي

دكتر كثيري - دكتر رهبر