مدل سازی عملیات جداسازی کربن دی اکسید از مخلوط گازی توسط غشای الیاف توخالی پلی پروپیلن در حضور مایع یونی [4EtSO][Emim]

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی شیمی، واحد شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ایران

چکیده

وجود کربن دی اکسید در مخلوط‌ های گازی در واحدهای عملیاتی مانند واحد آمونیاک و متانول باعث بروز مشکل­ هایی مانند کاهش ارزش گرمایی گاز، خوردگی و مشکل­ هایی زیست محیطی می­ شود. یکی از روش های جداسازی کربن دی اکسید از این گازها، استفاده از غشای الیاف توخالی با کمک یک مایع جاذب مناسب است که در آن، با تغییر دادن کاتیون یا آنیون تشکیل دهنده مایع­ های یونی، می توان به بازدهی بیش­تری دست یافت. هدف از این پژوهش، مدل سازی جذب فیزیکی کربن دی اکسید توسط غشای الیاف توخالی با استفاده از مایع یونی خالص [4EtSO][Emim] بوده که در آن انتقال جرم در سه فاز گاز، مایع و غشا، در قالب معاده ­های دیفرانسیل پاره ای، با روش های عددی و به صورت هم­زمان حل می شوند. درستی نتیجه­ های به ­دست­ آمده از مدل با داده­ های تجربی موجود مقایسه شده و مشخص شد که مدل ارایه شده با خطای میانگین حدود 5/7 درصد، از تطابق خوبی با داده‌ های آزمایشگاهی برخوردار است. بنابراین مدلی مناسب، برای پیش ‌بینی جذب فیزیکی 2CO در شرایط این پژوهش بوده و می توان تأثیر پارامترهای گوناگونی همچون شدت جریان مایع و گاز، دمای محلول جاذب، تر شوندگی و طول غشا را مورد بررسی قرار داد. در بررسی نتیجه­ های به ­دست­ آمده دیده شد که در یک شدت جریان ثابت مایع  25 میلی لیتر در یک دقیقه حضور مایع یونی باعث جذب حدود40 درصد 2CO موجود در گاز ورودی شده و افزایش 30 میلی لیتر بر دقیقه شدت جریان گاز در حضور مایع یونی نیز باعث افزایش 15درصدی جذب کربن دی اکسید شد. افزایش ترشوندگی از صفر تا صد درصد نیز  باعث کاهش بازده حذف 2CO از گاز ورودی تا حدود 15 درصد خواهد شد.

کلیدواژه‌ها


[1] Fougerit V., Pozzobon V., Pareau D., Théoleyre M. A., Stambouli M., Experimental and Numerical Investigation Binary Mixture Mass Transfer in a Gas–Liquid Membrane Contactor, Journal of Membrane Sscience, 572: 1-11 (2019).
 [2] Ahmadi H., Hashemifard S.A., Ismail A.F., A Research on CO2 Removal Via Hollow Fiber Membrane Contactor: The Effect of Heat Treatment., Chemical Engineering Research, and Design 120: 218-230 (2017).
[3] سروش، سپیده؛ بختیاری، امید، مدل­ سازی بازیابی موادخوش بو از جریان های دربرگیرنده آن ها با تماس دهنده های غشایی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (1)33: 9 تا 19(1393)
[4] Nakhjiri A.T., Taghvaie A., Heydarinasab A., Bakhtiari O., and Mohammadi T., Experimental Investigation and Mathematical Modeling of CO2 Sequestration From CO2/CH4 Gaseous Mixture Using MEA and TEA Aqueous Absorbents Through Polypropylene Hollow Fiber Membrane Contactor., Journal of Membrane Science 565: 1-13 (2018).
 [5] Keshavarz P., Fathikalajahi J., Ayatollahi S., Analysis of CO2 Separation and Simulation of a Partially Wetted Hollow Fiber Membrane Contactor. Journal of Hazardous Materials, 152(3): 1237-1247 (2008).
[6] Gabelman A., Hwang S.A., Hollow Fiber Membrane Contactors., Journal of Membrane Science 159(1-2): 61-106 (1999).
[8] Mesbah, M., Momeni, M., Soroush, E., Shahsavari, S., & Galledari, S. A., Theoretical Study of CO2 Separation from CO2/CH4 Gaseous Mixture Using 2-Methyl Piperazine-Promoted Potassium Carbonate Through Hollow Fiber Membrane Contactor., Journal of Environmental Chemical Engineering, 7(1): 102781 (2019).
 [9] Andreu J.S., Vega, L.F., Capturing the Solubility Behavior of CO2 in Ionic Liquids by a Simple Model., The Journal of Physical Chemistry C, 111(43): 16028-16034 (2007).
[10] Rogers R.D., Ionic Liquids: Industrial Applications to Green Chemistry”, ACS Symposium Series. American Chemical Society (2002).
[11] Esato K., Eiseman B., Experimental Evaluation of Gore-Tex Membrane Oxygenator., The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, 69(5): 690-697 (1975).
[12] Dindore V.Y., Brilman D.W.F., Versteeg, G.F., Modelling of Cross-Flow Membrane Contactors: Mass Transfer with Chemical Reactions., Journal of Membrane Science, 255(1-2): 275-289 (2005).
[13] Masoumi S., Keshavarz P., Rastgoo Z., Theoretical Investigation on CO2 Absorption Into DEAB Solution Using Hollow Fiber Membrane Contactors., Journal of Natural Gas Science and Engineering, 18: 23-30 (2014).
 [14] Lu J.G., Lu C.T., Chen, Y., Gao, L., Zhao, X., Zhang, H., Xu, Z.W., CO2 Capture by Membrane Absorption Coupling Process: Application of Ionic Liquids., Applied Energy, 115: 573-581 (2014).
[15] Rezakazemi, M., Niazi, Z., Mirfendereski, M., Shirazian, S., Mohammadi, T., Pak, A., CFD Simulation of Natural Gas Sweetening in a Gas-Liquid Hollow-Fiber Membrane Contactor., Chemical Engineering Journal, 168(3): 1217-1226 (2011).
[16] نجف لو، اعظم; مدل­ سازی ترمودینامیکی جذب دی اکسیدکربن در محلول آبی متیل دی اتانول آمین، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران،38(2): 183 تا 194 (1398)
[17] Ben-Mansour R., Basha M., Qasem N.A., Multicomponent and Multi-Dimensional Modeling and Simulation of Adsorption-Based Carbon Dioxide Separation., Computers & Chemical Engineering, 99: 255-270 (2017).
[18] McNeil M.V., Wilfart F.M., Haelssig J.B., Modelling Hollow Fiber Membrane Modules for Anesthesia Gas Separation., Chemical Engineering Science, 191: 479-489 (2018).
[19] Chu Y., Lindbråthen A., Lei L., He X., Hillestad, M., Mathematical Modeling and Process Parametric Study of CO2 Removal from Natural Gas by Hollow Fiber Membranes., Chemical Engineering Research and Design. (2019).
[20] Haghayegh M., Zabihi F., Eikani M.H., Kamya Moghadas B., Vaziri Yazdi S.A., Supercritical fluid Extraction of Flavonoids and Terpenoids from Herbal Compounds: Experiments and Mathematical Modeling., Journal of Essential oil Bearing Plants, 18(5): 1253-1265 (2015).
 [21] Moghadas B.K., Safekordi A.A., Honarvar B., Kaljahi J.F., Yazdi S.V., Supercritical Extraction of Flavonoid Compounds from Dorema aucheri Boiss., Experimental and Modeling Using CH2Cl2 as Co-Solvent. Asian Journal of Chemistry, 24(8): (2012).
[23] Zhang H.Y., Wang R., Liang D.T., Tay J.H., Modeling and Experimental Study of CO2 Absorption in a Hollow Fiber Membrane Contactor., Journal of Membrane Science, 279(1-2): 301-310 (2006).
 [24] Wang R., Li D.F., Liang D.T., Modeling of CO2 Capture by Three Typical Amine Solutions in Hollow Fiber Membrane Contactors., Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 43(7): 849-856 (2004).
[25] Karoor S., Sirkar K.K., Gas Absorption Studies in Microporous Hollow Fiber Membrane Modules., Industrial & Engineering Chemistry Research, 32(4): 674-684 (1993).
[26] Mehdipour M., Karami M. R., Keshavarz P., Ayatollahi S., Analysis of CO2 Separation with Aqueous Potassium Carbonate Solution in a Hollow Fiber Membrane Contactor., Energy & Fuels, 27(4): 2185-2193 (2013).
[27] Keller K.H., Stein T.R., A Two-Dimensional Analysis of Porous Membrane Transport., Mathematical Biosciences, 1(3): 421-437 (1967).
[28] Happel J., Viscous Flow Relative to Arrays of Cylinders., AIChE Journal, 5(2): 174-177 (1959).
[29] Versteeg G.F., Van Swaaij W.P., Solubility and Diffusivity of Acid Gases (Carbon Dioxide, Nitrous Oxide) in Aqueous Alkanolamine Solutions., Journal of Chemical & Engineering Data, 33(1): 29-34 (1988).
[30] Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N., “Transport Phenomena”, John Wiley & Sons, Inc. (2007).
[31] Jalili A.H., Mehdizadeh A., Shokouhi M., Ahmadi A.N., Hosseini-Jenab M., Fateminassab F., Solubility and Diffusion of CO2 and H2S in the Ionic Liquid 1-Ethyl-3-Methylimidazolium Ethyl Sulfate, The Journal of Chemical Thermodynamics, 42(10): 1298-1303 (2010). 
[32] Streeter V. L., Wylie E. B., Bedford K. W., "Fluid Mechanics", McGraw-Hill College 1997).