شبیه سازی و مدل سازی ریاضی زدودن CO2 از محلول مونو اتانول آمین با استفاده از کنتاکتورهای غشای نانومتخلخل

متن اصلی و ترجمه مقاله 

Mathematical modeling and simulation of CO2 stripping from monoethanolamine solution using nano porous membrane contactors

ناشر :

اِلزِویر Elsevier

مدل‌سازی و شبیه‌سازی زدودن CO2 از محلول مونو اتانول آمین با کنتاکتورهای غشای نانومتخلخل

در سال‌های اخیر، کنترل انتشار گازهای گلخانه‌ای به محیط زیست به یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های صنعت تبدیل شده است. دی‌اکسید کربن (CO2) به عنوان اصلی‌ترین گاز گلخانه‌ای ناشی از فعالیت‌های صنعتی، نیازمند راه‌حل‌های مؤثر برای جداسازی و حذف است. یکی از پیشرفته‌ترین و کارآمدترین روش‌ها برای این منظور، استفاده از کنتاکتورهای غشایی نانومتخلخل است. این مقاله به بررسی عمیق شبیه‌سازی و مدل‌سازی ریاضی فرآیند زدودن CO2 از محلول مونو اتانول آمین (MEA) با بهره‌گیری از این فناوری نوآورانه می‌پردازد.

مدل‌سازی CFD پیشرفته برای درک دقیق‌تر فرآیند

به منظور شبیه‌سازی دقیق جریان و غلظت در یک کنتاکتور غشایی در دمای عملیاتی بالا، یک مدل جدید بر پایه آنالیز عناصر محدود (FEM) با استفاده از نرم‌افزار COMSOL توسعه داده شده است. این مدل CFD با حل معادلات دو بعدی Navier–Stokes و معادلات بقای جرم برای شرایط حالت پایدار در کنتاکتورهای غشای پلیمری، قادر به پیش‌بینی دقیق میدان‌های سرعت و غلظت CO2 در امتداد غشاء تحت رژیم جریان باریک است.

کنتاکتورهای غشایی در این مدل به سه محفظه اصلی تقسیم می‌شوند: تیوب، پوسته و غشای میکرومتخلخل. نتایج حاصل از این مدل‌سازی برای زدودن CO2 با داده‌های تجربی مقایسه شده و نشان‌دهنده توافق بسیار بالایی است که اعتبار مدل انتقال جرم پیشنهادی را تأیید می‌کند. علاوه بر این، نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که مقاومت انتقال جرم در فاز گازی، تأثیر ناچیزی بر روی جریان زدودن CO2 دارد، در حالی که افزایش دما و سرعت فاز مایع، به طور قابل توجهی باعث افزایش جریان زدودن CO2 می‌شود.

اهمیت فناوری غشا در جذب و جداسازی CO2

روش‌های سنتی جداسازی CO2 معمولاً در دو ستون مجزا (یکی برای جذب و دیگری برای زدودن) انجام می‌گیرد که هزینه‌های بالایی را به همراه دارد. کنتاکتورهای غشایی با فراهم آوردن یک سطح مشترک ثابت و شناخته‌شده بین فازهای گازی و مایع از طریق غشای میکرومتخلخل، راهکاری کارآمدتر و قابل پیش‌بینی‌تر ارائه می‌دهند. این ویژگی باعث می‌شود که عملیات جداسازی آسان‌تر شده و امکان افزایش ظرفیت به صورت خطی فراهم گردد.

پژوهشگران متعددی به بررسی انتقال جرم از طریق کنتاکتورهای غشایی پرداخته‌اند. در این کار نیز، مدل‌سازی زدودن CO2 از محلول MEA با استفاده از غشاهای فیبری توخالی پلی تترا فلوئورو اتیلن (PTFE) با روش‌های عددی بررسی شده است. مدل توسعه‌یافته، انتشار محوری و شعاعی را در هر سه بخش کنتاکتور (لوله، غشا، پوسته) در نظر می‌گیرد و بر اساس حالت “غیرمرطوب” عمل می‌کند، به این معنی که فاز گازی منافذ غشا را پر کرده و مایع به دلیل خاصیت آب‌گریزی غشا، نمی‌تواند وارد منافذ شود.

نتایج کلیدی و تأیید مدل

نتایج شبیه‌سازی و تحلیل‌های انجام شده، بینش‌های مهمی را فراهم می‌کند:

• توزیع غلظت CO2: محلول غنی MEA از یک طرف کنتاکتور وارد شده و CO2 به سمت منافذ غشا حرکت کرده و سپس توسط فاز گازی دفع می‌شود.

• میدان سرعت: پروفایل سرعت در سمت پوسته غشا تقریباً سهموی است و مدل به خوبی اثرات ورودی بر جریان سیال هیدرودینامیک را در نظر می‌گیرد.

• مشخصات غلظت شعاعی: تغییرات غلظت در سمت غشا و پوسته ناچیز است، اما کاهش شدیدی در سمت لوله (فاز مایع) مشاهده می‌شود؛ این به دلیل بالاتر بودن ضریب انتشار CO2 در منافذ غشا و فاز گازی نسبت به فاز مایع است. مقاومت انتقال جرم فاز مایع حدود ۹۰% مقاومت کلی را شامل می‌شود.

• تأثیر دما: افزایش دمای عملیاتی به طور قابل ملاحظه‌ای جریان زدودن CO2 را افزایش می‌دهد، زیرا این امر بر فشار جزئی تعادلی CO2 و نیروی محرکه دفع تأثیر مثبت دارد.
• اعتبارسنجی مدل: مقایسه شار دفع CO2 حاصل از مدل ریاضی با داده‌های تجربی، توافق بسیار خوبی را نشان می‌دهد و اعتبار مدل انتقال جرم توسعه‌یافته در این مطالعه را تأیید می‌کند.

این پژوهش نشان می‌دهد که مدل‌سازی و شبیه‌سازی ریاضی ابزاری قدرتمند برای بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی حذف CO2 با استفاده از کنتاکتورهای غشای نانومتخلخل است و می‌تواند به توسعه فناوری‌های پاک‌تر و پایدارتر در آینده کمک کند.

مطالعه بیشتر