شکل ۱- ۵: نمونه ای از مدول­های غشائی [۱۷]
ماژولهای قاب و صفحه
سطح غشاءها در واحد حجم ماژول در این نوع سیستم­ها در حدود ۱۰۰-۴۰۰ m²/m³ است. درماژول­های قاب و صفحه از صفحه تخت استفاده می­ کنند. این ماژول­ها از یک غشاء ساندویچ مانند که دارای دو صفحه تخت غشائی و یک صفحه نگهدارنده می­باشد تشکیل شده است. خوراک از دو طرف فاصله انداز که بین دو غشاء قرار گرفته است، عبور می­ کند. جریان باقیمانده از انتهای ماژول خارج می­گردد و جریان نفوذ کرده نیز از میان غشاء عبور نموده و از سمت دیگر غشاء خارج می­ شود و به این طریق اجزاء از یکدیگر جدا می­گردند.
ماژولهای حلزونی
این ماژول­ها دور یک لوله جمع کننده مرکزی پیچیده شده ­اند و به شکل ساندویچ درآمده­اند. جریان خوراک بصورت محوری و در امتداد لوله مرکزی از درون ماژول استوانه­ای شکل حرکت می­ کند درحالیکه جریان نفوذی به صورت شعاعی به سمت لوله مرکزی می­رود. دانسیته سطح در حجم ماژول حلزونی از نوع قاب و صفحه بیشتر است. وجود فاصله انداز در این غشاءها تأثیر زیادی روی انتقال جرم و افت فشار دارد. معمولاً تعدادی از ماژول­های حلزونی بصورت سری در یک سیستم قرار می­گیرند در فرآیندی مانند نمک زدایی از آب دریا، طراحی اندازه سوراخها برای ماکزیمم کردن آشفتگی، کم کردن افت فشار و افزایش دانسیته می­باشد.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

ماژولهای تیوبی
غشاءهای این ماژول­ها روی یک سرامیک، تیوب پلاستیکی یا فولاد ضد زنگ متخلخل با قطر تیوبی که معمولاً از ۱۰ میلی متر بیشتر است، قرار می­گیرند. تعداد تیوبها در هر ماژول معمولاً بین ۴ تا ۱۸ متغیر است ولی می ­تواند بیشتر نیز باشد. غالباً غشاءهای سرامیکی در ساختن این ماژولها بکار می­روند. نسبت سطح به حجم در این ماژولها نسبتآً پایین است.
در این نوع ماژول­ها کانالهای تغذیه و از همه مهم­تر کانالهای نفوذی می­توانند به راحتی تمیز شوند. در نتیجه این ماژول­ها برای کاربردهای که در آنها تمیز کردن مداوم لازم است (مانند صنایع غذایی) بسیار مناسب می­باشند. فایده دیگر این ماژولها ایجاد جریان درهم بدون افت فشار زیاد است. این ویژگی باعث مقاوم شدن ماژول در برابر رسوب دهی می­ شود. دو عیب عمده این ماژول­ها عبارتند از:
مصرف زیاد انرژی برای کانالهای تغذیه بزرگ
سرمایه اولیه نسبتاً زیاد برای ساخت ماژول با دانسیته پایین
ماژول­های فیبرتوخالی
الیاف توخالی به لوله­های موئینی اطلاق می­ شود که در آنها جداره الیاف به عنوان سطح انتخاب پذیر عمل می­ کند. مسائل اقتصادی در استفاده از غشاءها در فرایند جداسازی سبب توسعه غشاءهایی شده که نسبت سطح به حجم آنها بزرگ می­باشد، که یک ایده استفاده از الیاف توخالی است. این غشاءها دارای ساختاری فشرده با سطح غشائی بالایی هستند به گونه ای که با مواد یکسان فلاکس کمتری از غشای الیاف توخالی را در مقایسه با غشاءهای مسطح می توان ساخت. الیاف­ها را می­توان به صورت دسته­ای بسته بندی کرد و به شکل لوله درآورد تا نهایتاً به غشاء تبدیل شوند. برای تولید چند متر مربع از این غشاءها به کیلومترها الیاف نیاز است. ساخت غشای الیاف توخالی نیازمند کنترل دقیق و سختی است، به گونه ای که با تغییر هر یک از شرایط عملیاتی غشائی با خواص جدید حاصل می­ شود. بنابراین شناخت پارامترهای موثر بر غشاء و کنترل آنها از اهمیت خاصی برخوردار است.
آرایش الیاف توخالی
غشاءهای الیاف توخالی ساختاری شبیه به مبدل­های پوسته و لوله دارند و به دو صورت آرایش یافته­اند. آرایش اول خوراک روی سطح خارجی الیاف توخالی وارد می­ شود و در آرایش دوم خوراک داخل سوراخ فایبرها قرار می­گیرد که آرایش نوع اول بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. به این صورت که سیال گاز که قرار است جداسازی بر روی آن صورت گیرد از قسمت پوسته و سیال مایع جاذب از داخل لوله وارد می­ شود. در شکل ۱- ۶ نمائی از ماژول الیاف تو خالی غشائی را نمایش می­دهد.

شکل ۱- ۶: نمائی از ماژول غشای الیاف تو خالی [۱۸]
فصل دوم

مروری بر تحقیقات گذشته

۲-۱- تاریخچه استفاده از روش­های متداول برای رطوبت زدایی از گاز با بهره گرفتن از مایعات جاذب

در رابطه با رطوبت زدایی از گاز با بهره گرفتن از جاذب مایع، از دیر باز تا کنون مطالعات بسیار زیادی انجام شده، که در اکثر موارد از برج­های پرشده، سینی دار و پاششی به عنوان تماس دهنده برای انجام این جداسازی استفاده شده است.
در سال ۱۹۹۴ چانگ^[۲۳] [۱۹] با انجام یک سری مطالعات آزمایشگاهی، موفق به ارائه یک رابطه تجربی برای بازدهی برج­های پر شده بر اساس انواع مختلف پر­کن و مایع جاذب شد. رابطه او شامل شدت جریان مایع و هوا، دمای ورودی مایع و گاز، ابعاد برج و فشار بخار تعادلی مایع جاذب می­شد. میانگین خطا بین مقادیر آزمایشگاهی و مقادیر پیش بینی شده توسط رابطه ارائه شده در این مطالعه حدود ۷ درصد است. این مطالعه نشان داد که فشار بخار مایع جاذب، پارامتر بسیار مهمی در پیش بینی بازدهی برج است.
چانگ [۲۰] در ادامه تحقیقات خود در سال ۱۹۹۸، جهت مطالعه و بررسی جذب بخارات آب از جریان هوای مرطوب توسط محلول تری اتیلن گلایکول، موفق به طراحی یک برج پاششی برای انجام این فرایند شد. او به منظور جلوگیری از حضور قطرات مایع در جریان خروجی هوا و همچنین افزایش میزان جذب و احیا از طراحی برج به صورت U-shape استفاده کرد. از جمله نتایج مهم او این بود که، کاهش دمای جاذب تری اتیلن گلایکل باعث افزایش قابل توجه عملکرد برج می­ شود.
به دلیل محدود بودن تعداد مطالعات آزمایشگاهی در زمینه رطوبت زدایی از هوا تا اواخر قرن ۱۹، مطالعه آزمایشگاهی بسیار دقیق انتقال همزمان جرم و حرارت، بین جاذب مایع تری اتیلن گلایکول و هوا، در برج پرشده با بکار بردن شدت جریان بالای مایع، توسط اوبرگ و گاسوامی^[۲۴] [۲۱] انجام شد. در کار آنها هم خوانی خوبی بین داده ­های آزمایشگاهی و نتایج پیش بینی شده با بهره گرفتن از روش مدل سازی تفاضل محدود دیده شد.
در سال ۲۰۰۳ یوساچو و همکارانش^[۲۵] [۲۲] موفق به ساخت یک پایلوت تماس دهنده غشائی از نوع مارپیچی یا حلزونی شدند. آنها از محلول تری اتیلن گلایکول برای جداسازی بخارات آب بهره بردند. از جمله نتایج مهم این مطالعه این بود که برای نسبت­های تقریباً بالای جریان گاز به مایع، به درصد جداسازی بالایی رسیدند و دمای نقطه شبنم هوای خروجی از تماس دهنده به حدود ۲۰- درجه سانتیگراد رسید.
زوریگات و همکارانش^[۲۶] [۲۳] در سال ۲۰۰۴ عملکرد برج پرشده را به عنوان رطوبت زدا، با بهره گرفتن از مایع جاذب تری اتیلن گلایکول تحت شرایط گرم و مرطوب مورد بررسی قرار دادند. آنها برای ایجاد تماس مستقیم بین هوا و تری اتیلن گلایکول از پرکن­های چوبی و آلمینیومی در یک برج پرشده با نسبت سطح به حجم پایین (۷۷ m²/m³) استفاده کردند. آنها تأثیر پارامترهای شدت جریان هوا و تری اتیلن گلایکول، دمای ورودی این دو جریان، رطوبت هوای ورودی و همچنین غلظت تری اتیلن گلایکول را بر روی عملکرد این برج، مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه مشاهده شد که میزان جداسازی بخار آب با افزایش شدت جریان و غلظت تری اتیلن گلایکول و افزایش شدت جریان هوا، افزایش می­یابد. به علاوه مشاهده شد که میزان جداسازی بخار آب با افزایش دمای هوای ورودی فقط برای پرکن های آلومینیوم افزایش می­یابد.

۲-۲- تاریخچه استفاده از غشای الیاف تو خالی برای رطوبت زدایی از گاز

در زمینه استفاده از غشای الیاف تو­خالی به منظور رطوبت زدایی از گاز مطالعات بسیار محدودی انجام شده است که در ادامه به آنها اشاره می­کنیم.
ایستی و همکارانش^[۲۷] [۲۴] اولین محققانی بودند که، در سال ۱۹۹۷ از غشاهای الیاف توخالی به منظور رطوبت زدایی از هوای مرطوب، استفاده کردند. آنها از یک غشاء ساختگی آب گریز که نسبت به بخارآب نفوذ پذیر ولی نسبت به مایع جاذب نفوذ ناپذیر باشد، به عنوان یک بستر متخلخل بین هوای مرطوب و مایع جاذب استفاده کردند. مطالعه آزمایشگاهی و تئوری بر روی این سیستم با بکار بردن غشاء پلی اتیلن و دو مایع جاذب LiCl و Ca(NO₃)₂ انجام شد. نتایج نشان داد که، شار انتقال جرم قابل توجه بین جریان هوا و مایع جاذب از طریق غشاء امکان استفاده از آن را به عنوان واحد جذب کننده یا دفع کننده در فرایند رطوبت زدایی میسر می­ کند.
برگر و چیاری^[۲۸] [۲۵] در سال ۲۰۰۱ مطالعه آزمایشگاهی و تئوری رطوبت زدایی از جریان هوا توسط محلول خشک کننده لیتیم کلراید، در غشای الیاف تو­خالی پلی پروپیلن مورد بررسی قرار دادند. انتقال حرارت و جرم بین فاز مایع و گاز مورد بررسی قرار گرفت. همچنین یک مدل عددی برای پیش بینی انتقال حرارت و جرم در نظر گرفته شد که نتایج حاصل از آن تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی داشت. داده ­های آزمایشگاهی نشان دادند که این فرایند می تواند در جداسازی بخار آب از هوا بسیار موثر باشد.
در سال ۲۰۰۶ نیفل و همکارانش^[۲۹] [۲۶] برای کنترل رطوبت هوا از سیستم ماژول غشای الیاف توخالی و محلول لیتیم کلراید به عنوان مایع جاذب استفاده کردند. آنها خواص جریانات عرضی در ماژول را با توجه به افت فشار هوا و خواص انتقالی بخارات آب مورد بررسی قرار دادند. هدف اصلی کار آنها بررسی نفوذپذیری بخارات آب در غشای الیاف توخالی PDMS-coated polyetherimide بود. نتایج نشان دادند اثر منفی پوشش^[۳۰] بر روی نفوذپذیری در صورتی که یک لایه بسیار نازک بکار برده شود، می ­تواند به کمتر از ۲۰ درصد مقدار نفوذ برسد.
در سال ۲۰۱۲ ، ژانگ و همکارانش^[۳۱] [۲۷-۲۹] طی یک سری مطالعات جامع و کامل، انتقال هم زمان جرم و حرارت را برای فرایند رطوبت زدایی از جریان هوا در غشاءهای الیاف تو خالی، با بهره گرفتن از محلول خشک کننده لیتیم کلراید مورد بررسی قرار دادند. به دلیل وجود تعداد زیاد الیاف­ها در تماس دهنده غشائی مدل کردن مستقیم آن کار بسیار سخت و پیچیده ای است. در این مطالعه از یک روش جدید با در نظر گرفتن یک الیاف و فضای اطراف آن به عنوان ناحیه ای برای عبور هوا، استفاده شد که کار شبیه سازی سیستم را به مراتب آسان تر می­کرد. آنها برای بدست آوردن این ناحیه، شعاع خارجی متناظر با این ناحیه را با بهره گرفتن از فرض مدل هپل دست آوردند. سپس معادلات جریان سیال، انتقال جرم و حرارت در هر دو جریان مایع و هوا با معادلات انتقال جرم و حرارت در درون غشاء با یکدیگر ترکیب شده، و در نهایت حل می شوند تا توزیع سرعت، دما و غلظت در درون سیستم بدست آورده شود. آنها در مطالعه اولیه خود از جریان نا هم سوی هوا و لیتیم کلراید و در ادامه کار خود از جریان متقاطع هوا و لیتیم کلراید استفاده بردند.
فصل سوم

روش انجام کار

۳-۱- روش انجام آزمایشات

۳-۱-۱- مایع جاذب رطوبت

خشک­کن­های مایع^[۳۲]متنوعی، شامل محلول­های آبی مواد آلی^[۳۳] و محلول­های آبی نمک­های غیر آلی^[۳۴] برای جدا کردن بخارات آب از جریان هوا یا دیگر جریان­های گاز، مورد استفاده قرار می­گیرد. نماینده این دو نوع محلول خشک­کننده به ترتیب تری­اتیلن­گلایکول (TEG) و لیتیم کلراید (LiCl) هستند. از محلول­های تری­اتیلن­گلایکول معمولاً برای کاربردهای صنعتی شامل خشک­کردن^[۳۵]، انجماد^[۳۶] و ذخیره­سازی^[۳۷] و از محلول­های لیتیم کلراید به طور معمول برای رطوبت­زدایی از ساختمان­های تجاری، مدارس، بیمارستان­ها و سوپرمارکت­ها استفاده می­ شود[۱۹].
با توجه به هدف ما در این پروژه، یعنی جداسازی کامل بخارات آب از جریان گاز، از محلول تری­اتیلن­گلایکول که جاذب قوی فیزیکی بخار آب است، به منظور رطوبت زدایی از جریان گاز استفاده شد.
تری­اتیلن­گلایکول مورد استفاده در این آزمایشات از شرکت فرسا شیمی (نمایندگی فروش محصولات پتروشیمی جم) خریداری شد. ویژگی­های این گلایکول خریداری شده جدول ۳- ۱ آمده است.
جدول ۳- ۱: ویژگی­های تری­اتیلن­گلایکول شرکت فرسا شیمی