دانشگاه شیراز

دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز

پایان نامه­ کارشناسی ارشد در رشته­ مهندسی شیمی (گرایش گاز)

بررسی آزمایشگاهی رطوبت زدایی از گاز با استفاده از محلول تری اتیلن گلایکول در تماس دهنده­های غشای الیاف تو­خالی

اساتید راهنما

دکتر پیمان کشاورز

دکتر سید شهاب الدین آیت اللهی

آذر ماه 1393

در این مطالعه، در جهت رطوبت زدایی از گاز توسط حلال جاذب تری اتیلن گلایکول (TEG) ، از دو تماس دهنده غشائی الیاف تو­خالی با جنس­های مختلف الیاف پلی وینلیدن فلوراید (PVDF) و پلی پروپیلن (PP) استفاده گردیده است. هوای محیط به عنوان نمونه گاز، پس از عبور از مرطوب ساز از قسمت پوسته وارد تماس دهنده غشائی می شود و در تماس با محلول تری اتیلن گلایکول که درون الیاف­ها جریان دارد، قرار می­گیرد. اثر درصد رطوبت نسبی هوای ورودی، غلظت محلول تری اتیلن گلایکول ورودی، دبی­های متفاوت گاز و مایع و جهت جریان بر بازده رطوبت زدایی و شار انتقال جرم بخارات آب، مورد بررسی قرار گرفت. جهت شبیه سازی تماس دهنده­های غشائی از نرم افزار شبیه ساز کامسول (Comsol) با در نظر گرفتن فرض هپل (Happel) برای فاز گاز استفاده گردید. همچنین از یک مدل ریاضی با در نظر گرفتن فرض پلاگ (Plug) برای فاز گاز، جهت شبیه سازی تماس دهنده غشائی استفاده شد. معادلات دیفرانسیل مربوط به مدل ریاضی توسط یک تکنیک عددی توسط کد نویسی با نرم افزار متلب (Matlab) حل شدند. نتایج حاصل از شبیه سازی با داده­های آزمایشگاهی از تطابق خوبی برخوردار بودند. نتایج نشان دادند که تماس دهنده­های غشای الیاف توخالی در جداسازی بخارات آب از جریان گاز می­توانند بسیار موثر باشند. دبی جریان گاز اثر قابل ملاحظه­ای بر میزان بازده و دمای نقطه شبنم جریان هوای خروجی دارد. همچنین مشاهده شد تغییرات دبی مایع اثر چندانی بر بازده و شار انتقال جرم ندارد که بیان گر این موضوع است که، مقاومت انتقال جرم در فاز مایع نیست. برای تماس دهنده­های غشائی مشاهده شد میزان جداسازی بخارات آب برای حالت جریان نا­همسو نسبت به  جریان همسو افزایش می­یابد.

واژگان کلیدی:

رطوبت زدایی، تری اتیلن گلایکول، غشاء الیاف توخالی، پلی وینلیدن فلوراید، پلی پروپیلن، کامسول

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                             صفحه

فصل اول: مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………….. 2

1-1- گاز طبیعی و رطوبت زدایی از آن………………………………………………………………………………….. 2

1-2- مشکلات ناشی از حضور بخارات آب در گاز طبیعی…………………………………………………….. 3

1-3- انواع روشهای نم زدایی از گاز طبیعی……………………………………………………………………………. 3

1-3-1- جذب در مایع بوسیله مایعات جاذب رطوبت………………………………………………………. 4

1-3-2- جذب آب توسط مواد جامد جاذب رطوبت…………………………………………………………. 7

1-3-2-1- سیلیکاژل……………………………………………………………………………………………………. 10

1-3-2-2- موبیل سوربید……………………………………………………………………………………………. 10

1-3-2-3- آلومینای فعال……………………………………………………………………………………………. 11

1-3-2-4- بوکسیت فعال……………………………………………………………………………………………. 11

1-3-2-5- غربال مولکولی…………………………………………………………………………………………… 12

1-2- فرآیندهای غشائی…………………………………………………………………………………………………………. 16

1-2-1- معرفی تکنولوژی غشاء……………………………………………………………………………………….. 16

1-2-2- مکانیسم جداسازی غشائی…………………………………………………………………………………. 17

1-2-3- تقسیم بندی غشاءها…………………………………………………………………………………………… 18

1-2-3-1- تقسیم بندی بر اساس جنس غشاء………………………………………………………….. 18

1-2-3-2- تقسیم بندی بر اساس ساختار غشاء……………………………………………………….. 22

1-2-3-3- تقسیم بندی براساس شکل هندسی غشاء…………………………………………….. 23

فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته ………………………………………………………………………………… 28

2-1- تاریخچه استفاده از روشهای متداول برای رطوبت زدایی از گاز با استفاده از مایعات جاذب 28

2-2- تاریخچه استفاده از غشای الیاف تو خالی برای رطوبت زدایی از گاز…………………………….. 30

فصل سوم: روش انجام کار………………………………………………………………………………………………………. 33

3-1- روش انجام آزمایشات…………………………………………………………………………………………………………. 33

3-1-1- مایع جاذب رطوبت…………………………………………………………………………………………………… 33

3-1-2- آزمایشات…………………………………………………………………………………………………………………… 35

3-1-2-1- شرح واحد آزمایشگاهی رطوبت­زدایی از هوا………………………………………………… 35

3-1-2-2- شرح انجام آزمایش…………………………………………………………………………………………. 42

3-1-3- استخراج نتایج…………………………………………………………………………………………………………… 44

3-2- روش شبیه سازی با استفاده از نرم افزار COMSOL……………………………………………………. 45

3-2-1- معادلات حاکم…………………………………………………………………………………………………………… 47

3-2-1-1- معادلات غلظت در درون الیاف غشائی (فاز مایع)………………………………………… 48

3-2-1-2- معادلات غلظت در غشاء………………………………………………………………………………… 50

3-2-1-3- معادلات غلظت در پوسته (فاز گاز)……………………………………………………………….. 50

3-2-2- حلالیت بخار آب در محلول تری اتیلن گلایکول…………………………………………………… 52

3-2-3- ضرایب نفوذ آب………………………………………………………………………………………………………… 55

3-2-3-1- ضریب نفوذ آب در هوا…………………………………………………………………………………… 55

3-2-3-2- ضریب نفوذ آب در محلول تری اتیلن گلایکول……………………………………………. 55

3-2-3-3- ضریب نفوذ آب در غشاء در حالت کاملاً خشک………………………………………….. 56

3-2-3-4- ضریب نفوذ آب در غشاء در حالت تر شوندگی کامل………………………………….. 57

3-2-4- حل عددی معادلات شبیه سازی…………………………………………………………………………….. 58

3-3- روش مدل سازی با استفاده فرض پلاگ………………………………………………………………………….. 59

3-3-1- معادلات حاکم…………………………………………………………………………………………………………… 59

3-3-1-1-  معادله غلظت در درون الیاف غشائی (فاز مایع)………………………………………….. 59

3-3-1-2-  معادلات غلظت در غشاء……………………………………………………………………………….. 61

3-3-1-3-  معادلات غلظت در پوسته (فاز گاز)……………………………………………………………… 61

3-3-2- حل عددی معادلات………………………………………………………………………………………………….. 62

فصل چهارم: بحث و نتایج……………………………………………………………………………………………………….. 65

4-1- معرفی پارامترهای مورد بررسی در فرآیند جذب بخارات آب و بررسی تأثیر آنها………… 66

4-1-1- تأثیر درصد رطوبت نسبی هوای ورودی…………………………………………………………………. 66

4-1-1-1- اثر درصد رطوبت نسبی هوای ورودی بر بازده حذف بخارات آب و دمای نقطه شبنم هوای خروجی     66

4-1-1-2- اثر درصد رطوبت نسبی هوای ورودی بر میزان شار انتقال جرم بخار آب…. 69

4-1-2- تأثیر دبی جریان هوا………………………………………………………………………………………………… 71

4-1-2-1- اثر دبی جریان هوا بر بازده حذف بخارات آب و دمای نقطه شبنم هوای خروجی       71

4-1-2-2- اثر دبی جریان هوا بر میزان شار انتقال جرم بخار آب………………………………… 73

4-1-3- تأثیر دبی جریان مایع………………………………………………………………………………………………. 75

4-1-3-1- اثر دبی جریان مایع بر بازده حذف بخارات آب و دمای نقطه شبنم هوای خروجی      75

4-1-3-2- اثر دبی جریان هوا بر میزان شار انتقال جرم بخار آب………………………………… 76

4-1-4- تأثیر غلظت تری اتیلن گلایکول……………………………………………………………………………… 78

4-1-4-1- اثر غلظت تری اتیلن گلایکول بر بازده حذف بخارات آب و دمای نقطه شبنم هوای خروجی    78

4-1-4-2- اثر غلظت تری اتیلن گلایکول بر میزان شار انتقال جرم بخار آب……………… 80

4-1-5- تأثیر جهت جریان…………………………………………………………………………………………………….. 81

4-1-5-1- اثر جهت جریان بر بازده حذف بخارات آب………………………………………………….. 82

4-1-5-2- اثر جهت جریان بر دمای نقطه شبنم هوای خروجی………………………………….. 83

فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادات…………………………………………………………………………………. 85

5-1- نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………………… 85

5-2- پیشنهادات…………………………………………………………………………………………………………………………… 86

فهرست جدول ها

عنوان                                                                                                             صفحه

جدول 1- 1: مشخصات انواع گلایکول ها………………………………………………………………………………… 6

جدول 1- 2: مقایسه ظرفیت جذب انواع مواد خشک کننده در برابر هوای مرطوب……….. 11

جدول 1- 3: خواص انواع غربال های مولکولی…………………………………………………………………….. 14

جدول 1- 4: خواص فیزیکی انواع مواد خشک کننده تجاری…………………………………………….. 15

جدول 1- 5: مقایسه انواع مختلفی از غشاءها………………………………………………………………………. 23

جدول 3- 1: ویژگی­های تری اتیلن گلایکول شرکت فرسا شیمی…………………………………….. 34

جدول 3- 2: چگالی و لزجت تری اتیلن گلایکول در دمای اتاق………………………………………… 34

جدول 3- 3: مشخصات تماس دهنده­های غشائی……………………………………………………………….. 39

جدول 3- 4: ضرایب رابطه ناکانیشی برای محاسبه ضریب نفوذ در مایعات………………………. 56

فهرست شکل ها

 برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.