بررسي آزمايشگاهي و عددي جذب گاز CO2 با استفاده از فروسيالات در ميكروكانال مجهز به ميدان مغناطيسي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي شيمي

دكتري

فرايند جذب گاز CO2 در مايع يكي از مهمترين روشهاي جلوگيري از انتشار اين گاز گلخانه اي مهم در جو ميباشد كه به كاهش گرمايش جهاني و جلوگيري از تغييرات آب و هوايي و حفظ تعادل طبيعي سياره ي ما كمك شاياني ميكند. سوسپانسيون پايدار نانوذرات مغناطيسي در مايع حامل آبي يا آلي نانوسيال مغناطيسي سيال ناميده مي شود كه در سالهاي اخير در فرايندهاي مختلف مرتبط با حوزه ي علوم گوناگون مورد توجه بسيار قرار گرفته است. خواص مغناطيسي ويژهي اين نانوذرات و واكنش پذيري آنها در حضور ميدان مغناطيسي، سبب تاثير آنها بر بهبود انتقال حرارت و جرم مي گردد. اعمال ميدان مغناطيسي و برانگيخته ساختن نانوذرات مغناطيسي در نانوسيال مغناطيسي مانند ميكسرهايي در ابعاد نانو عمل كرده و باعث تحريك جريان سيال و ايجاد آشفتگي درآن مي شود. از سوي ديگر، به تازگي ميكروكانال ها به عنوان ابزاري نوين در بهبود و كنترل مشخصات انتقال جرم شناخته شده اند. در تحقيق حاضر استفاده از نانوذرات مغناطيسي Fe3O4 با اندازه ذرات 8 نانومتر و در حضور ميدان مغناطيسي متناوب (AC) جهت بهبود بازده انتقال جرم CO2 درميكروكانال Y شكل مورد بررسي قرار گرفته است. به منظور ارزيابي اندازه و پايداري نانوذرات آناليزهاي DLS، TEM و پتانسيل زتا و به منظور ارزيابي خواص مغناطيسي اين نانوذرات آناليز VSM صورت پذيرفته است. جذب CO2 تحت شرايط عملياتي مختلف، غلظت هاي گوناگون نانوذرات مغناطيسي، و شدت متغير ميدان مغناطيسي بررسي شده است. ضريب انتقال جرم كل طرف مايع (KLa)، بازده جذب CO2 (E)، فاكتور افزايندگي نانوذرات (α)، فاكتور افزايندگي ميدان مغناطيسي (γ)، و همچنين تاثير افت فشار (pΔ) به عنوان شاخصهاي تعيين بهبود انتقال جرم در نظر گرفته شدند. با اعمال ميدان مغناطيسي متناوب، انرژي الكترومغناطيسي به صورت انرژي جنبشي به سيال منتقل مي گردد. بنابراين انتظار مي رود اين انرژي بر پديده هايي كه ريشه در اختلاط دارند يعني انتقال جرم در جريان لايه ي مرزي گاز-مايع تاثير بگذارد. جهت ارزيابي تاثير نانوذرات مغناطيسي و ميدان مغناطيسي بر فرايند انتقال جرم گاز-مايع، شدت ميدان مغناطيسي 7، 6/12، و 21 ميلي تسلا و غلظتهاي نانوسيال مغناطيسي(v/v) 004/0-001/0 مورد استفاده قرار گرفت. سرعت دو فاز به گونه اي انتخاب شدند كه الگوي جريان متناوب تيلور در كليه ي آزمايشات حاكم گردد و تحليل كمي جذب CO2 در دو حالت، غياب و حضور نانوذرات مغناطيسي بررسي و با يكديگر مقايسه شدند. افزون بر اين، تاثير موقعيت ميكروكانال در ميدان مغناطيسي متناوب به عنوان فاكتوري موثر در افزايش جذب CO2 مورد بررسي قرار گرفت و موقعيتي كه در آن ميكروكانال در بالاي ميدان مغناطيسي قرار داشت جذب بيشتري را نشان داد. با اعمال شدت ميدان مغناطيسي 21 ميلي تسلا، حداكثر افزايش در KLa به ميزان 2/72 % نسبت به حالتي كه ميدان مغناطيسي اعمال نشده بود مشاهده گشت. در پايان به منظور فهم بهتر اثر اعمال ميدان مغناطيسي متناوب بر جذب CO2 در نانوسيال مغناطيسي، مدلسازي دوبعدي ديناميك سيالات محاسباتي ميكروكانال صورت پذيرفت. از سوي ديگربا انجام ديناميك سيالات محاسباتي، فرايند جذب گاز دي اكسيد كربن با آب و نانوسيال مغناطيسي و سپس با اعمال ميدان مغناطيسي متناوب مورد تحليل و بررسي قرار گرفت. براي اين منظور معادلات پيوستگي، ناوير-استوكس، رهگيري جريان دوفازي، انتقال جرم و ماكسول توسط نرم افزار كامسول حل گرديد. نتايج شبيه سازي تطابق خوبي با داده هاي آزمايشگاهي نشان دادند. مقادير ضريب انتقال جرم و افت فشار در محدوده ي سرعت جريان فاز گاز، به خوبي با مقاديرآزمايشگاهي با حداكثر خطاي نسبي به ترتيب 67/11% و 28/20% براي ضريب انتقال جرم و افت فشار مطابقت دارد. علت انحراف نتايج شبيه سازي از نتايج آزمايشگاهي افزون بر دوبعدي بودن مدل، فرضيات ساده كننده اي مانند ثابت در نظر گرفتن ضريب نفوذ، فرضيه ي جريان كاملا توسعه يافته و همچنين خطاي انساني در اندازه گيري آزمايشات مي تواند باشد.

222675

مهندسي شيمي

مهندسي شيمي

دانشگاه صنعتي اصفهان