پایان نامه بررسی آزمایشگاهی رطوبت زدایی از گاز با استفاده از محلول تری اتیلن گلایکول در تماس دهنده های غشای الیاف تو خالی

فهرست:

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

منبع:

[1]     Abdulrahman, R., I. Sebastine, and F. Hanna, Natural Gas Dehydration Process Simulation and Optimization: A Case Study of Khurmala Field in Iraqi Kurdistan Region. International Journal of Engineering and Technology, 2014. 4(1)

[2]     Netušil, M. and P. Ditl, Natural Gas Dehydration. 2012.

[3]     Kohl, A.L. and R. Nielsen, Gas purification. 1997: Gulf Professional Publishing.

[4]     Katz, D.L.V. and K. Donald La Verne, Handbook of natural gas engineering. 1959: McGraw-Hill New York.

[5]     Campbell, J.M., et al., Gas conditioning and processing. Vol. 1. 1976: Campbell Petroleum Series.

[6]     Kidnay, A.J. and W.R. Parrish, Fundamentals of natural gas processing. Vol. 200. 2006: CRC Press.

[7]     Olajire, A.A., CO2 capture and separation technologies for end-of-pipe applications–A review. Energy, 2010. 35(6): p. 2610-2628.

[8]     Yeon, S.-H., et al., Determination of mass transfer rates in PVDF and PTFE hollow fiber membranes for CO2 absorption. Separation science and technology, 2003. 38(2): p. 271-293.

[9]     Rangwala, H.A., Absorption of carbon dioxide into aqueous solutions using hollow fiber membrane contactors. Journal of Membrane Science, 1996. 112(2): p. 229-240.

[10]    Li, J.-L. and B.-H. Chen, Review of CO2 absorption using chemical solvents in hollow fiber membrane contactors. Separation and Purification Technology, 2005. 41(2): p. 109-122.

[11]    Yang, H., et al., Progress in carbon dioxide separation and capture: A review. Journal of Environmental Sciences, 2008. 20(1): p. 14-27.

[12]    Ebenezer, S.A. and J. Gudmunsson, Removal of Carbon dioxide from natural gas for LPG production. Semester project work, 2005.

[13]    Mansourizadeh, A. and A. Ismail, Hollow fiber gas–liquid membrane contactors for acid gas capture: a review. Journal of hazardous materials, p. 38-53.

[14]    Powell, C.E. and G.G. Qiao, Polymeric CO2/N2 gas separation membranes for the capture of carbon dioxide from power plant flue gases. Journal of Membrane Science, 2006. 279(1–2): p. 1-49.

[15]    DevNaylor, T., Polymer Membranes. Rapra Technology Limited, 1996. 8(5).

[16]    Srikanth, G., "Membrane Separation Processes" Technology and Business Opportunities. Water Conditioning & Purification, 2008: p. 1-4

]17[   نازلی, ع., مطالعه ای بر فرآیندهای غشائی. نشریه الکترونیکی انجمن علمی مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی سهند.

[18]    Stanojević, M., B. Lazarević, and D. Radić, Review of membrane contactors designs and applications of different modules in industry. FME Transactions, 2003. 31(2): p. 91-98.

[19]    Chung, T.-W., Predictions of moisture removal efficiencies for packed-bed dehumidification systems. Gas separation & purification, 1994. 8(4): p. 265-268.

[20]    Chung, T.-W. and H. Wu, Dehumidification of air by aqueous triethylene glycol solution in a spray tower. 1998.

[21]    Oberg, V. and D.Y. Goswami, Experimental study of the heat and mass transfer in a packed bed liquid desiccant air dehumidifier. Journal of Solar Energy Engineering, 1998. 120(4): p. 289-297.

[22]    Usachov, V., et al., Experimental study of the membrane contactor systems for gas dehumidification. Ars Separatoria Acta, 2003: p. 36-46.

[23]    Zurigat, Y., M. Abu-Arabi, and S. Abdul-Wahab, Air dehumidification by triethylene glycol desiccant in a packed column. Energy Conversion and Management, 2004. 45(1): p. 141-155.

[24]    Isetti, C., E. Nannei, and A. Magrini, On the application of a membrane air—liquid contactor for air dehumidification. Energy and Buildings, 1997. 25(3): p. 185-193.

[25]    Bergero, S. and A. Chiari, Experimental and theoretical analysis of air humidification/dehumidification processes using hydrophobic capillary contactors. Applied thermal engineering, 2001. 21(11): p. 1119-1135.

[26]    Kneifel, K., et al., Hollow fiber membrane contactor for air humidity control: modules and membranes. Journal of membrane science, 2006. 276(1): p. 241-251

[27]    Zhang, L.-Z., et al., Conjugate heat and mass transfer in a hollow fiber membrane module for liquid desiccant air dehumidification: a free surface model approach. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012. 55(13): p. 3789-3799.

[28]    Huang, S.-M., et al., Turbulent heat and mass transfer across a hollow fiber membrane tube bank in liquid desiccant air dehumidification. Journal of Heat Transfer, 2012. 134(8): p. 082001.

[29]    Zhang, L.-Z., S.-M. Huang, and L.-X. Pei, Conjugate heat and mass transfer in a cross-flow hollow fiber membrane contactor for liquid desiccant air dehumidification. International journal of heat and mass transfer, 2012. 55(25): p. 8061-8072.

[30]    Kumar, P., J. Hogendoorn, and G. Versteeg, New Absorption Liquids for the Removal of CO2 from Dilute Gas Streams using Membrane Contactors. Chemie Ingenieur Technik, 2001. 73(6): p. 769-770.

[31]    Yeon, S.-H., et al., Application of pilot-scale membrane contactor hybrid system for removal of carbon dioxide from flue gas. Journal of Membrane Science, 2005. 257(1): p. 156-160.

[32]    Treybal, R.E. and E. Treybal Robert, Mass-transfer operations. Vol. 3. 1968: McGraw-Hill New York.

[33]    Sohrabi, M.R., et al., Mathematical modeling and numerical simulation of CO2 transport through hollow-fiber membranes. Applied Mathematical Modelling, 2011. 35(1): p. 174-188.

[34]    Karami, M., et al., Analysis of ammonia separation from purge gases in microporous hollow fiber membrane contactors. Journal of hazardous materials, 2013:  p. 576-584.

[35]    Happel, J., Viscous flow relative to arrays of cylinders. AIChE Journal, 1959. 5(2): p. 174-177.

[36]    Faiz, R. and M. Al-Marzouqi, Mathematical modeling for the simultaneous absorption of CO2 and H2S using MEA in hollow fiber membrane contactors. Journal of Membrane Science, 2009. 342(1): p. 269-278.

[37]    Green, D.W., Perry's chemical engineers' handbook. Vol. 796. 2008: McGraw-hill New York.

[38]    Herskowitz, M. and M. Gottlieb, Vapor-liquid equilibrium in aqueous solutions of various glycols and polyethylene glycols. 1. Triethylene glycol. Journal of Chemical and Engineering Data, 1984. 29(2): p. 173-175.

[39]    Parrish, W.R., K. Won, and M. Baltatu. Phase behavior of the triethylene glycol-water system and dehydration/regeneration design for extremely low dew point requirements. in Proceedings of the 65th Annual GPA Convention, San Antonio, TX. 1986.

[40]    Bestani, B. and K. Shing, Infinite-dilution activity coefficients of water in TEG, PEG, glycerol and their mixtures in the temperature range 50 to 140° C. Fluid Phase Equilibria, 1989. 50(1): p. 209-221.

[41]    Cussler, E.L., Diffusion: mass transfer in fluid systems. 2009: Cambridge university press.

[42]    Nakanishi, K., Prediction of diffusion coefficient of nonelectrolytes in dilute solution based on generalized Hammond-Stokes plot. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1978. 17(4): p. 253-256.

[43]    Henley, E.J., J.D. Seader, and D.K. Roper, Separation process principles. 2011: Wiley.

[44]    Keller, K.H. and T.R. Stein, A two-dimensional analysis of porous membrane transport. Mathematical Biosciences, 1967. 1(3): p. 421-437.

[45]    Yang, M.C. and E. Cussler, Designing hollow‐fiber contactors. AIChE Journal, 1986. 32(11): p. 1910-1916.