مقاومتی بر سر انتقال جرم میشود و بازده فرآیند جذب را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد.
در این حالت ضریب نفوذ توسط رابطه زیر محاسبه میشود:
(3-33)
3-2-4- حل عددی معادلات شبیه سازی
معادلات مدل بدون بعد مربوط به پوسته، غشاء و درون الیاف با در نظر گرفتن شرایط مرزی مناسب و خواص فیزیکی و شیمیایی با استفاده از نرم افزار کامسول حل شدند. از روش المان محدود با استفاده از مشبندی کنترل شده، برای حل معادلات استفاده شد. در این شبیه سازی از مشبندی مثلثی شکل استفاده شده است که در شکل 3- 14 نمایی از آن را مشاهده میکنیم.
شکل 3- 14: مشبندی جهت حل با استفاده از روش المان محدود
3-3- روش مدل سازی با استفاده فرض پلاگ
در این قسمت یک مدل ریاضی برای توصیف جذب فیزیکی بخارات آب از جریان هوا توسط محلول جاذب تری اتیلن گلایکول در تماس دهندههای غشائی الیاف توخالی بسط داده شده است. تمام شرایط و فرضیات در نظر گرفته شده در حالت قبل نیز برای این مدل سازی برقرار است:
حالت پایدار و شرایط دما ثابت

سایکرومتریک48 و روابط زیر به غلظت بخار آب در هوا تبدیل میکنیم.
ابتدا با استفاده از نمودار سایکرومتریک و داشتن دما و رطوبت نسبی هوای مورد نظر میزان رطوبت مطلق49 (Y´=kg water vapor/kg dry air) را مشخص میکنیم. حال با استفاده از رابطه زیر حجم هوای مرطوب را بدست میآوریم[32].
(3-3)
که در معادله (3-3) حجم هوای مرطوب به ازای جرم واحد هوای خشک (m3/kg dry air)، و به ترتیب جرم ملکولی آب و هوا، رطوبت مطلق هوا (kg water vapor/kg dry air )، دمای هوا بر حسب درجه سانتی گراد و فشار هوا (N/m2) می باشد.
غلظت بخار آب در هوا C بر حسب (kmol/m3) از رابطه (3-4) محاسبه میشود.
(3-4)
3-2- روش شبیه سازی با استفاده از نرم افزار COMSOL
برای انجام شبیه سازی از یک سیستم دو بعدی (2D axisymmetric) استفاده میکنیم ، مزیت این سیستم دوبعدی این است که هم از نظر محاسبات، دارای بار محاسباتی کمتری است و همچنین میتوانیم پروفایلهای بدست آمده را به حالت کلی سیستم غشائی تعمیم دهیم. در این مطالعه، جذب فیزیکی بخارات آب از جریان هوای مرطوب با استفاده از جاذب مایع تری اتیلن گلایکول در حالت جریان موازی در تماس دهنده غشائی الیاف توخالی، مورد بررسی قرار گرفته است.
شکل 3- 9: جریان موازی در تماس دهنده غشائی الیاف توخالی [33]
همان گونه که در شکل 3- 9 مشاهده میکنیم مایع جاذب تری اتیلن گلایکول از درون الیاف غشائی و هوای مرطوب از سمت پوسته تماس دهنده عبور میکنند. مدل بر اساس هر دو حالت (1) تر شوندگی کامل غشاء و (2) حالت کاملاً خشک غشاء به صورت جداگانه در نظر گرفته شده است.
جریان سیال در درون پوسته معمولاً بسیار پیچیده است، برای بیان توزیع سرعت جریان هوا در قسمت پوسته از مدل سطح آزاد هپل50 استفاده شد. نفوذ به صورت محوری و شعاعی در نواحی مختلف پوسته، غشاء و لوله تماس دهنده غشائی در نظر گرفته شد.
شکل 3- 10: (1) حالت تر شوندگی کامل غشاء (2) حالت کاملاً خشک غشاء [34]
3-2-1- معادلات حاکم
در شکل 3- 11، شکل شماتیک ناحیه سطح مقطع تماس دهنده غشائی الیاف توخالی را مشاهده میکنیم. بر اساس مدل سطح آزاد هپل تنها قسمتی از سیال در نواحی اطراف الیاف را در نظر میگیریم و میتوان آن را به صورت سطح مقطع دایرهای شکل تخمین زد.
شکل 3- 11: سطح مقطع تماس دهنده غشائی الیاف توخالی و تقریب به صورت سطح مقطع دایره ای شکل [33]
بنابراین تماس دهنده غشائی الیاف توخالی شامل سه ناحیه پوسته، غشاء و لوله میشود. موازنه جرم تحت شرایط حالت پایا در هر قسمت تماس دهنده انجام میشود. برای حالت جریان موازی هم سو، هوا و مایع جاذب از یک سر تماس دهنده (Z=0) ، و در حالت نا هم سو جریان هوا از (Z=0) و مایع جاذب از (Z=L) وارد تماس دهنده غشائی میشوند. بخارات آب از هوای مرطوب جدا شده و از طریق غشاء نفوذ کرده و خود را به مایع جاذب میرسانند و سپس جذب آن میشوند.
مهمترین فرضیاتی که در شبیه سازی اعمال شدهاند عبارتند از:
حالت پایدار و شرایط دما ثابت
جریان کاملاً توسعه یافته و توزیع سرعت سهموی درون الیاف غشائی
رفتار فاز گاز ایده آل
رژیم آرام برای هر دو جریان گاز و مایع در تماس دهنده
یکنواخت بودن توزیع اندازه منافذ و ضخامت دیواره غشاء
معادله پیوستگی برای هر کدام از اجزاء در سیستم جذب به صورت زیر بیان میشود:
(3-5)
که در معادله (3-5) ، ، ، و به ترتیب غلظت، شار نفوذی، سرعت واکنش جزء i ، سرعت و زمان هستند. معادله پیوستگی برای حالت پایا در مختصات استوانهای برای هر سه ناحیه تماس دهنده غشائی نوشته شد. برای تعیین میزان شار نفوذی از قانون نفوذ فیکس51 استفاده شد. لازم به ذکر است چون جذب بخارات آب در محلول تری اتیلن گلایکول یک جذب فیزیکی است سرعت واکنش صفر در نظر گرفته میشود.
3-2-1-1- معادلات غلظت در درون الیاف غشائی (فاز مایع)
معادله پیوستگی در حالت پایا برای انتقال جزء آب در درون الیاف غشائی به صورت زیر است.
(3-6)
جریان مایع درون الیاف غشائی آرام بوده و توزیع سرعت در فاز مایع به صورت رابطه زیر بیان میشود.
(3-7)
که در معادله (3-7) سرعت متوسط سیال در درون الیاف غشائی است.
شرایط مرزی برای جزء نفوذ کننده درون الیاف غشائی عبارتند از:
در راستای محوری:
(3-8)
در راستای شعاعی:
در مرکز هر مجاری لوله ای به دلیل تقارن میتوان از رابطه زیر استفاده کرد.
(3-9)
در فصل مشترک بین قسمت لوله وغشاء با توجه به دو حالت تر شوندگی کامل غشاء و حالت کاملاً خشک غشاء شرایط مرزی متفاوت در نظر گرفته میشود.
(3-10)
(3-11)
که در حالت کاملاً خشک غشاء غلظت در مرز فاز مایع تابعی از غلظت در مرز فاز گاز است که این تابعیت از رابطه تعادل ترمودینامیکی بدست میآید.
3-2-1-2- معادلات غلظت در غشاء
معادله پیوستگی در حالت پایا برای انتقال جزء آب در غشای الیاف توخالی به دلیل نبودن جریان در غشاء و تنها وجود مکانیزم نفوذ، به صورت زیر است:
(3-12)
در این ناحیه نیز شرایط مرزی بر اساس دو حالت تر شوندگی کامل غشاء و حالت کاملاً خشک غشاء شرایط مرزی متفاوت در نظر گرفته میشود. در فصل مشترک بین قسمت لوله و غشاء مشابه معادلات (3-10) و (3-11) و در فصل مشترک بین قسمت غشاء و پوسته به صورت زیر است:
(3-13)
(3-14)
3-2-1-3- معادلات غلظت در پوسته (فاز گاز)
معادله پیوستگی در حالت پایا برای انتقال جزء آب در درون پوسته به صورت زیر است:
(3-15)
برای بیان توزیع سرعت در فاز گاز در ناحیه پوسته از مدل سطح آزاد هپل استفاده شد. البته باید به این نکته توجه داشت که جریان سیال در تماس دهندههای غشائی واقعی در ناحیه پوسته مطابقت کامل با فرض مدل سطح آزاد هپل[35] ندارد، اما از این مدل به طور گسترده در مدلسازی و شبیهسازیهای این سیستم استفاده میشود.
توزیع سرعت جریان آرام گاز در ناحیه پوسته به صورت زیر است:
(3-16)
که در معادله (3-16) سرعت متوسط گاز در قسمت پوسته است. و همان طور که در شکل 3- 12 نیز میبینیم به ترتیب شعاع سطح آزاد و شعاع خارجی الیاف هستند.
شکل 3- 12: نواحی مختلف تماس دهنده در شبیه سازی [36]
شعاع سطح آزاد به صورت زیر محاسبه میشود:
(3-17)
که در رابطه (3-17) نسبت فضای خالی تماسدهنده به کل فضای آن میباشد که از رابطه زیر محاسبه میشود:
(3-18)
که در معادله (3-18) و به ترتیب تعداد الیاف و شعاع داخلی ماژول است.
شرایط مرزی برای جزء نفوذکننده در قسمت پوسته عبارتند از:
در راستای محوری:
(3-19)
در راستای شعاعی:
در این ناحیه نیز شرایط مرزی در راستای شعاعی بر اساس دو حالت تر شوندگی کامل غشاء و حالت کاملاً خشک غشاء متفاوت در نظر گرفته میشود. در فصل مشترک بین قسمت غشاء و پوسته مشابه معادلات (3-13) و (3-14) است و در شعاع سطح آزاد به صورت زیر بیان میشود:
(3-20)
3-2-2- حلالیت بخار آب در محلول تری اتیلن گلایکول
یکی از اساسیترین گامها در فرآیند شبیهسازی سیستمهای جذب گاز توسط حلال جاذب، درک رفتار فازی اجزای موجود در فرآیند و یافتن میزان حلالیت اجزاء در حلال جاذب است. تابعیت غلظت آب در فاز مایع از غلظت آب در فاز گاز در روابط، توسط رابطه تعادلی بین بخار آب و محلول تری اتیلن گلایکول تعیین میشود. رابطه تعادلی جزء آب بین فاز گاز و مایع را از برابری فوگاسیته آن در دو فاز میتوانیم تعیین کنیم:
(3-21)
با توجه به در نظر گرفتن فاز گاز بصورت ایده آل میتوان از قانون رائولت اصلاح شده به منظور بررسی تعادل آب در دو فاز گاز و مایع استفاده کرد:
(3-22)
فشار بخار آب در دمای سیستم را می توان از رابطه آنتوان[37] بدست آورد:
(3-23)
که در این رابطه دما بر حسب درجه سانتی گراد و فشار بخار آب بر حسب کیلو پاسکال است. ثابتهای A، B و C برای آب بترتیب برابر با 3872/16، 7/3885 و 17/230 میباشد.
با توجه به این موضوع که فاز مایع را نمیتوان همچون فاز گاز ایده آل در نظر گرفت، یافتن مقدار که بیانگر میزان دور بودن سیستم از حالت ایده آل است، برای رسیدن به رابطه تعادلی بین فاز گاز و مایع، بسیار حائز اهمیت است. مهمترین مطالعات آزمایشگاهی در زمینه رفتار فازی آب و تری اتیلن گلایکول توسط هرسکویتز52 در سال 1984[38]، پریش53 در سال 1986[39] و بستانی54 در سال 1989[40] انجام شده است. روش آنها برای مطالعه رفتار فازی سیستم اندازهگیری ضریب فعالیت آب به صورت آزمایشگاهی در دماها و غلظت های مختلف بوده است. در این میان دادههای آزمایشگاهی و رابطه تجربی پریش مورد تأیید و پذیرش انجمن GPSA بوده است. پریش و همکارانش ضریب فعالیت آب در رقت بی نهایت را به روش gas-liquid partition chromatography (GLPC) اندازهگیری کردند. آنها آزمایشات خود را در بازه دمایی 300 تا 380 درجه کلوین انجام دادند. آنها دادههای آزمایشگاهی خود را با دادههای آزمایشگاهی هرسکویتز ترکیب کردند و موفق به ارائه یک رابطه تجربی برای ضریب فعالیت آب شدند که تابعی از دما و غلظت آب در فاز مایع بود.
رابطه تجربی پریش برای تعیین ضریب فعالیت تری اتیلن گلایکول (TEG) و آب (H2O) بصورت زیر میباشد:
(3-24)
(3-25)
که در معادلات (3-24) و (3-25) :
(3-26)
تابعیت دما در ضرایب A، B و C بصورت زیر مشخص میشود.
(3-27)
(3-28)
(3-29)
3-2-3- ضرایب نفوذ آب
3-2-3-1- ضریب نفوذ آب در هوا
برای پیدا کردن ضریب نفوذ بخار آب در هوا از دادههای آزمایشگاهی بولتز و توو55 در سال 1976[41] استفاده شد. در نمودار زیر ضریب نفوذ برای مخلوط دو جزئی بخار آب و هوا را مشاهده میکنیم.
شکل 3- 13: ضریب نفوذ برای مخلوط دو جزئی بخار آب و هوا [41]
3-2-3-2- ضریب نفوذ آب در محلول تری اتیلن گلایکول
ضریب نفوذ آب در محلول تری اتیلن گلایکول را میتوان از رابطه ناکانیشی56 [42] پیدا کرد که بصورت زیر بیان میشود:
(3-30)
که در معادله (3-30) ضریب نفوذ جزء حل شونده (H2O) در حلال (TEG) در غلظتهای پایین، و حجمهای مولی مایع در دمای 298 درجه کلوین، ویسکوزیه حلال بر حسب و دما بر حسب درجه کلوین است. همچنین ضرایب و نیز در جدول 3- 4 مشخص شدهاند.
جدول 3- 4: ضرایب رابطه ناکانیشی برای محاسبه ضریب نفوذ در مایعات [42]
3-2-3-3- ضریب نفوذ آب در غشاء در حالت کاملاً خشک
در حالتی که حفرههای غشاء کاملاً خشک باشند نفوذ مولکولهای گاز در حفره می تواند به صورت معمولی یا/ و نفوذ نادسن باشد. نفوذ نادسن در داخل جامدات با میزان تخلخل کم صورت میگیرد. هرگاه قطر حفره خیلی کوچک یا/ و فشار کل کم باشد نفوذ نادسن قابل ملاحظه است. در این حالت به علت قطر کم منافذ نسبت به قطر مولکولها نفوذ به سختی صورت خواهد گرفت.
در محدوده تقریبی ، نفوذ به صورت معمولی و نادسن باید با هم در نظرگرفته شود. در این معادله قطر حفره و نشان دهنده مسیر آزاد متوسط است که از رابطه زیر محاسبه میشود[32]:
(3-30)
در این حالت ضریب نفوذ توسط رابطه زیر محاسبه میشود:
(3-31)
که در آن نفوذ نادسن است و از رابطه زیر قابل محاسبه است[43]:
(3-32)
، ، و به ترتیب ضریب نفوذ نادسن بر حسب ، قطر حفره بر حسب ، دما بر حسب درجه کلوین و جرم ملکولی آب است.
3-2-3-4- ضریب نفوذ آب در غشاء در حالت تر شوندگی کامل
زمانی که غشاء در حالت تر شوندگی کامل باشد، خلل و فرج غشاء توسط مایع جاذب پر میشود و باعث میشود که ضریب نفوذ جزء نفوذ کننده در غشاء از مرتبه ضریب نفوذ در مایعات باشد. این موضوع سبب بوجود آمدن

Colorless
Appearance
99.5%wt
Purity
0.5%wt, max
Di ethylene Glycol
0.5%wt, max
Poly ethylene Glycol
0.05%wt, max
Water
25 max
Color (Pt-Co)
100 mg/kg, max
Ash
1.124-1.126, 20/20°C
Specific Gravity
برای اطمینان از درصد ناخالصی آب محلول تری اتیلن گلایکول خریداری شده، یک آزمون میزان مقدار آب نمونه، توسط دستگاه آنالیز کارل فیشر انجام شد که میزان ناخالصی آب برای نمونه را کمتر از مقدار ارائه شده در جدول 3- 1 نشان داد. همچنین چگالی و لزجت تری اتیلن گلایکول نیز اندازهگیری شد که نتایج آن به شرح زیر است:
جدول 3- 2: چگالی و لزجت تری اتیلن گلایکول در دمای اتاق
1.12
Density (gr/cm3)
39
Viscosity (cp)
محلول تریاتیلنگلایکول به شدت جاذب رطوبت هوا است، از این جهت نباید در تماس مستقیم با هوا قرار گیرد تا درصد خلوص آن ثابت بماند. برای این منظور، محلول تریاتیلنگلایکول خریداری شده، در بطریهای 5/1 لیتری به صورت لب تا لب پر شد و درب آن بصورت محکم بسته شد تا محلول در تماس مستقیم با هوای محیط قرار نگیرد. بطریها در یک جای خنک نگهداری و در هر بار تست گرفتن از یکی از بطریها استفاده میشد.
3-1-2- آزمایشات
3-1-2-1- شرح واحد آزمایشگاهی رطوبتزدایی از هوا
در روشهای سنتی، جداسازی و رطوبتزدایی از مخلوطهای گازی توسط روشهایی نظیر میعان38 با استفاده از سرمایش، جذبسطحی برودتی39،جذب40با استفاده حلال مایع در برجهای جذب و یک سری روشهای کاتالیستی41 صورت میگیرد.
با پیشرفت علم و صنعت، افزایش واحدهای تولیدی و صنعتی در حجم و ابعاد بزرگتر بار عظیمی از وظایف بر دوش مهندسین طراح و پیمانکاران اجرایی قرار گرفته است. از این جهت بحث صرفهجویی در مصرف انرژی و همچنین استفاده از تجهیزات کم حجم تر بسیار اهمیت پیدا میکند.
در سالهای اخیر استفاده از فرآیندهای غشائی برای جداسازی گازها، به منظور صرفهجویی در مصرف انرژی و همچنین کم حجم تر کردن تجهیزات، مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. در این میان غشای الیاف توخالی به علت نسبت سطح به حجم بالایی که دارد و همچنین عدم وجود مشکلاتی نظیر کانالسازی42، طغیان43، ماندگی44 و… توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. اخیراً از غشاءهای الیاف تو خالی در زمینه رطوبت زدایی از هوا با استفاده از خشک کن های مایع، برای غلبه بر مشکل حضور قطرات مایع در جریان هوا استفاده می شود[27, 29].
بعد از انتخاب حلال مناسب، نوع و مشخصات تماس دهنده غشائی الیاف تو خالی مورد استفاده برای انجام این فرآیند جداسازی بسیار حائز اهمیت است. از این جهت، از دو نوع تماس دهنده غشائی با مشخصات متفاوت و جنس الیاف پلی پروپیلن45 و پلی وینلیدن فلوراید46 مورد استفاده قرار گرفت.
شماتیک فرآیندی رطوبت زدایی از گاز با استفاده از محلول تریاتیلنگلایکول، در تماس دهنده غشای الیاف توخالی در شکل 3- 1 نمایش داده شده است.
شکل 3- 1: شماتیک فرآیندی رطوبت زدایی از گاز با استفاده از محلول تریاتیلنگلایکول، در تماس دهنده غشای الیاف توخالی
در ادامه به بررسی تک تک اجزا این فرآیند میپردازیم.
کمپرسور هوا : از هوای مرطوب به عنوان نمونه گاز، برای رطوبتزدایی از آن در این سیستم استفاده شد. جهت تامین هوای مورد نظر، از یک کمپرسور هوا مدل HAILEA ACO-328 استفاده شد که باتوجه به مشخصات این کمپرسور دبیهای مورد نظر را برای ما تامین میکرد. در شکل 3- 2 تصویری از این کمپرسور را مشاهده میکنیم.
شکل 3- 2: کمپرسور هوا
مرطوب ساز: میزان رطوبت هوای اتاق در فصل تابستان بطور معمول بین 30 الی 50 درصد رطوبت نسبی متغیر است. به منظور بررسی تأثیر رطوبت نسبی هوای ورودی بر روی عملکرد فرآیند رطوبت زدایی، از یک مرطوب ساز برای ایجاد هوا با رطوبت نسبی های بالاتر از 50 درصد استفاده شد. برای این کار، هوای خروجی از کمپرسور، از یک ستون پرشده که در آن آب جریان داشت عبور داده شد، تا هوا به حالت تقریباً اشباع برسد. در شکل 3- 3 نمایی از این ستون را میبینیم.
شکل 3- 3: مرطوب ساز
سیستم اندازه گیری جریان هوا: برای تعیین دبی جریان هوای ورودی به تماس دهنده غشائی، از 2 روتامتر خریداری شده از شرکت آزمون متمم استفاده شد. از یک روتامتر مدل LZB-3WB برای اندازه گیری دبیهای پایین هوا و از یک روتامتر مدل LZB-4WB برای اندازه گیری دبیهای بالاتر هوا استفاده شد.
فشارسنج: فشارسنج روغنی از نوع عقربهای در محدوده 5/2-0 بار گیج برای تنظیم فشار جریان های گاز و مایع در ورودی و خروجی تماس دهنده غشائی استفاده شد.
تماس دهنده غشای الیاف توخالی: برای انجام آزمایشات، از دو تماس دهنده غشائی الیاف تو خالی ساخت شرکت پارسیان پیشرو صنعت پلیمر استفاده شد. مشخصات کامل این دو تماس دهنده غشائی در جدول 3- 3 آمده است.
جدول 3- 3: مشخصات تماس دهندههای غشائی
پارامتر
ماژول (1)
ماژول (2)
جنس الیاف
پلی وینلیدن فلوراید
پلی پروپیلن
طول فایبر (cm)
40
40
قطر خارجی فایبر (mm)
6/1
375/0
قطر داخلی فایبر (mm)
8/0
275/0
میانگین اندازه حفرات فایبر (nm)
100
200
تعداد فایبر
200
1200
سطح تماس غشاء (m2)
4/0
56/0
قطر داخلی ماژول (cm)
5
5/2
در شکل 3- 4 نمایی از ماژولهای استفاده شده در این تحقیق را می بینیم.
شکل 3- 4: (a) ماژول شماره 1 (b) ماژول شماره 2
رطوبت سنج: جهت اندازهگیری میزان رطوبت و دمای هوای ورودی و خروجی تماس دهنده غشای الیاف توخالی، از یک رطوبت سنج دیجیتالی مدل TH-300 خریداری شده از شرکت KIMO استفاده شد. رطوبت سنج مورد استفاده از نوع خازنی47 است که، قابلیت نمایش رطوبت هوا در بازه 1/0 تا 100 درصد رطوبت نسبی، با دقت (%5/1 ± برای 3 تا 98 درصد رطوبت نسبی) و دمای هوا با دقت (25/0 ± درجه سانتی گراد) را داراست. این رطوبت سنج قابلیت نمایش همزمان میزان رطوبت نسبی، دما و دمای نقطه شبنم را داراست. نمایی از این رطوبت سنج در شکل 3- 5 آورده شده است.
شکل 3- 5: رطوبت سنج دیجیتالی مدل TH-300
پمپ گردش سیال جاذب: به منظور گردش سیال از مخزن تری اتیلن گلایکول مورد استفاده در این فرآیند به تماس دهنده غشای الیاف توخالی، از یک پمپ مالشی مدل BT300-2J ساخت شرکت Longer Pump استفاده شد. در شکل 3- 6 نمایی از این پمپ مالشی را مشاهده میکنیم.
شکل 3- 6: پمپ گردش سیال جاذب
میزان دبی تری اتیلن گلایکول ورودی به تماس دهنده غشائی با استفاده از میزان دور موتور این پمپ (RPM) کنترل و اندازه گیری میشد. برای این منظور، دبی تری اتیلن گلایکول برای میزان دور موتورهای مختلف این پمپ اندازه گیری شد و سپس با استفاده از خطی سازی نمودار زیر حاصل شد.
شکل 3- 7: خطی سازی نمودار دبی تری اتیلن گلایکول در مقابل دور موتور
3-1-2-2- شرح انجام آزمایش
برای شروع انجام آزمایشات، ابتدا کمپرسور هوا را روشن کرده و مسیر جریان هوا را برای اطمینان از عدم وجود نشتی، با کف آب و صابون چک میکنیم. بعد از آن جریان آب را به صورت آرام باز میکنیم تا هوا و آب در رطوبت ساز در تماس مستقیم با یکدیگر قرار گیرند. کنترل میزان جریان آب برای جلوگیری از حضور قطرات آب در هوای مرطوب خروجی از مرطوب ساز بسیار حائز اهمیت است. برای اطمینان بیشتر از عدم حضور قطرات آب در هوای خروجی از مرطوب ساز از یک توری در مسیر خروجی هوا استفاده شد. هوای مرطوب خروجی از مرطوب ساز را با یک جریان از هوای خروجی از کمپرسور با هم مخلوط میکنیم و سپس هوا از قسمت پوسته وارد تماس دهنده غشائی میشود که با استفاده از شیرهای تنظیم جریان، میزان جریان هوای ورودی به سیستم کنترل میشود. دبی هوای ورودی بین 400 تا 2000 میلی لیتر بر دقیقه متغیر بود. همچنین از شیرهای موجود در مسیر هوای مرطوب و هوای خشک قبل از مخلوط شدن برای تنظیم درصد رطوبت نسبی هوای ورودی استفاده شد. سنسور رطوبت سنج در مسیر خروجی هوا از تماس دهنده غشائی قرار میگیرد تا درصد رطوبت، دما و دمای نقطه شبنم هوای خشک خروجی از تماس دهنده غشائی را برای ما اندازه گیری و ثبت کند.
بعد از انجام مراحل بالا و گذشتن چند دقیقهای و رسیدن به پایداری در نوسان دبی، دما و میزان درصد رطوبت نسبی جریان هوا، این بار پمپ گردش سیال جاذب را روشن کرده و با استفاده از پیچ تنظیم دور موتور آن، شدت جریان تری اتیلن گلایکول ورودی به سیستم، که از قسمت لوله وارد تماس دهنده غشائی می شود را تنظیم میکنیم. همچنین از دو شیر در ورودی جریان مایع به تماس دهنده و خروجی از آن برای تنظیم فشار در سمت جریان مایع استفاده شد. تنظیم فشار در سمت جریان مایع باید به گونهای باشد که (1) از پدیده تر شوندگی غشاء به علت افزایش فشار در سمت جریان مایع و در نتیجه آن حضور قطرات مایع در جریان هوای خروجی جلوگیری شود (2) فشار در سمت مایع به اندازهای باشد که از پراکندگی حبابهای هوا درجریان خروجی مایع جلوگیری شود. دبی جریان مایع بین 9 تا 36 میلی لیتر بر دقیقه متغیر بود. بعد از روشن کردن پمپ و وارد شدن تری اتیلن گلایکول به تماس دهنده غشائی رطوبت هوای خروجی از سیستم شروع به تغییر کردن و کاهش میکند. آزمایش را تا زمان ثابت شدن میزان تغییرات رطوبت در خروجی از سیستم ادامه میدهیم، برای اطمینان بیشتر از به حالت پایا رسیدن سیستم مبنای کار خود را دمای نقطه شبنم خروجی سیستم قرار میدهیم زیرا که دمای نقطه شبنم تابع دما نیست و صرفاً تابع مقدار آب نمونه هوا است. بعد از ثابت شدن دمای نقطه شبنم خروجی، سیستم به حالت پایا خود رسیده است و میتوان اطلاعات موجود را ثبت کرد. در شکل 3- 8 نمونهای از روند به حالت پایا رسیدن سیستم را مشاهده میکنیم.
شکل 3- 8: روند به حالت پایا رسیدن سیستم
جهت بررسی اثر غلظت تری اتیلن گلایکول بر روی عملکرد رطوبت زدایی از جریان هوا، محلول تری اتیلن گلایکول با درصد خلوص پایین تر را از محلول پایه تری اتیلن گلایکول با درصد خلوص ارائه شده در جدول 3- 1 تهیه شد. برای این کار جرم مشخصی از محلول پایه تری اتیلن گلایکول را با جرم مشخصی از آب مقطر به منظور ایجاد محلول با غلظت پایین تر در یک بطری 5/1 لیتری با هم مخلوط میکنیم. با توجه با اینکه حلایت آب در تری اتیلن گلایکول به شدت گرماده است، دمای محلول ایجاد شده به شدت بالا میرود، به منظور بر گرداندن دمای محلول به دمای محیط و همچنین اطمینان از مخلوط شدن کامل محلول، به مدت 24 ساعت، بطری را در شیکر انکوباتور گذاشته و دمای آن را بر روی 25 درجه سانتی گراد تنظیم میکنیم.
3-1-3- استخراج نتایج
نتایج آزمایشات بر اساس محاسبه بازده حذف بخار آب و میزان انتقال جرم آن ارزیابی شده است که از فرمول های زیر بدست میآیند[30, 31]:
(3-1)
(3-2)
که در معادلات (3-1) و (3-2) ? بازده حذف بخار آب و شدت انتقال جرم بخار آب (mol/(m2.s)) ، Qin و Qout دبی کل جریان هوا در ورودی و خروجی از غشاء m3/s ، Cin و Cout غلظت بخار آب در هوای ورودی و خروجی از غشاء mol/m3 و As نشان دهنده سطح تماس گاز- مایع در درون غشاء بر حسب m2 میباشد. لازم به ذکر است که، سطح تماس گاز- مایع در درون غشاء به میزان ترشوندگی غشاء بستگی دارد. در حالت خشک غشاء از قطر داخلی الیاف و در حالت تر شوندگی کامل از قطر خارجی الیاف برای محاسبه سطح تماس گاز- مایع استفاده میشود.
با توجه به معادلات (3-1) و (3-2) بالا مشاهده میشود که برای محاسبه بازده حذف بخار آب و شدت انتقال جرم بخار آب نیازمند غلظت بخار آب در هوا هستیم. برای این کار داده های خروجی از رطوبت سنج را که بر حسب دما و میزان رطوبت نسبی هوا است را با استفاده از نمودار

ماژولهای قاب و صفحه
سطح غشاءها در واحد حجم ماژول در این نوع سیستمها در حدود 100-400 m2/m3 است. درماژولهای قاب و صفحه از صفحه تخت استفاده میکنند. 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 میکند. جریان باقیمانده از انتهای ماژول خارج میگردد و جریان نفوذ کرده نیز از میان غشاء عبور نموده و از سمت دیگر غشاء خارج میشود و به این طریق اجزاء از یکدیگر جدا میگردند.
ماژولهای حلزونی
این ماژولها دور یک لوله جمع کننده مرکزی پیچیده شدهاند و به شکل ساندویچ درآمدهاند. جریان خوراک بصورت محوری و در امتداد لوله مرکزی از درون ماژول استوانهای شکل حرکت میکند 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.
ماژولهای تیوبی
غشاءهای این ماژولها روی یک سرامیک، تیوب پلاستیکی یا فولاد ضد زنگ متخلخل با قطر تیوبی که معمولاً از 10 میلی متر بیشتر است، قرار میگیرند. تعداد تیوبها در هر ماژول معمولاً بین 4 تا 18 متغیر است ولی میتواند 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 میشود. 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 میشود که در آنها جداره الیاف به عنوان سطح انتخاب پذیر عمل میکند. مسائل اقتصادی در استفاده از غشاءها در فرآیند 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 میشود. 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 میشود 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 میشود. در شکل 1- 6 نمائی از ماژول الیاف تو خالی غشائی را نمایش میدهد.
شکل 1- 6: نمائی از ماژول غشای الیاف تو خالی [18]
فصل دوم
مروری بر تحقیقات گذشته
2-1- تاریخچه استفاده از روشهای متداول برای رطوبت زدایی از گاز با استفاده از مایعات جاذب
در رابطه با رطوبت زدایی از گاز با استفاده 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 1994 چانگ23 [19] 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 7 درصد است. این مطالعه نشان داد که فشار بخار مایع جاذب، پارامتر بسیار مهمی در پیش بینی بازدهی برج است.
چانگ [20] در ادامه تحقیقات خود در سال 1998، 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 فرآیند 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 میشود.
به دلیل محدود بودن تعداد مطالعات آزمایشگاهی در زمینه رطوبت زدایی از هوا تا اواخر قرن 19، 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 گاسوامی24 [21] انجام شد. در کار آنها هم خوانی خوبی بین دادههای آزمایشگاهی و نتایج پیش بینی شده با استفاده از روش مدل سازی تفاضل محدود دیده شد.
در سال 2003 یوساچو و همکارانش25 [22] 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 20- درجه سانتیگراد رسید.
زوریگات و همکارانش26 [23] در سال 2004 عملکرد برج پرشده را به عنوان رطوبت زدا، با استفاده 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 (77 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.
2-2- 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 همکارانش27 [24] اولین محققانی بودند که، در سال 1997 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 فرآیند رطوبت زدایی میسر میکند.
برگر و چیاری28 [25] در سال 2001 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. دادههای آزمایشگاهی نشان دادند که این فرآیند می تواند در جداسازی بخار آب از هوا بسیار موثر باشد.
در سال 2006 نیفل و همکارانش29 [26] 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 پوشش30 بر روی نفوذپذیری در صورتی که یک لایه بسیار نازک بکار برده شود، میتواند به کمتر از 20 درصد مقدار نفوذ برسد.
در سال 2012 ، ژانگ و همکارانش31 [27-29] طی یک سری مطالعات جامع و کامل، انتقال هم زمان جرم و حرارت را برای فرآیند رطوبت زدایی از جریان هوا در غشاءهای الیاف تو خالی، با استفاده 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 استفاده 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
3-1- روش انجام آزمایشات
3-1-1- مایع جاذب رطوبت
خشککنهای مایع32متنوعی، شامل محلولهای آبی مواد آلی33 و محلولهای آبی نمکهای غیر آلی34 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 خشککردن35، انجماد36 و ذخیرهسازی37 و از محلولهای لیتیم کلراید به طور معمول برای رطوبتزدایی از ساختمانهای تجاری، مدارس، بیمارستانها و سوپرمارکتها استفاده میشود[19].
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 3- 1 آمده است.
جدول 3- 1: ویژگیهای تریاتیلنگلایکول شرکت فرسا شیمی
Clear ,

برخی منابع هم غشاء را یک ساختار دارای خلل و فرج میکرونی میدانند که به عنوان یک فیلتر با راندمان بالا در ابعاد مولکولی عمل میکند و به یونها، مولکولهای حلال و سایر مولکولهای کوچک اجازه عبور می دهد[10]. معمولاً ضخامت غشاءها کمتر از 5/0 میکرومتر و یا حتی کمتر از 1/0 میکرومتر می باشند.
1-2-2- مکانیسم جداسازی غشائی
غشاءها تقریباً نفوذپذیر هستند و قابلیت جداسازی اجزای مختلف را با مکانیسمهای متفاوت نفوذ نادسن،17 غربال مولکولی، جداسازی انحلال- نفوذ، نفوذ سطحی و چگالش مویینگی18 دارند[11]. اگر جداسازی بر اساس اختلاف فشار باشد، به کمک روشهایی مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس میتوان جداسازی را انجام داد. روشهایی که بر پایه اختلاف غلظت هستند، شامل جداسازی گازی، غشاء مایع و دیالیز می باشد. در الکترودیالیز، اختلاف ولتاژ و در روش تقطیر غشائی نیز اختلاف دما به عنوان عامل جداسازی عمل میکند.
هرجزء گاز با مقاومت خاصی از سوی انواع غشاءها در برابر نفوذ مواجه میشود. این مقاومت به دو فاکتور وابسته است: اول، اندازه و شکل مولکول گاز که نفوذ آن از طریق غشاء را کنترل میکند و دوم، شدت برخورد مولکولی بین غشاء و مولکولهای گاز که در انواعی از غشاءها میتواند معیاری از حلالیت مولکولهای گاز در غشاء باشد. گازهایی که با مقاومت کمتری در مقابل نفوذشان مواجهند به گازهای سریع معروفند، درحالی که گازهای با مقاومت بالا در مقابل حرکت، گازهای کند نامیده میشوند. گازهای دی اکسیدکربن، هیدروژن، هلیم، سولفید هیدروژن و بخارآب به سرعت نفوذ میکنند به گازهای سریع مشهورند، ازطرف دیگر گازهای مونواکسیدکربن، نیتروژن، متان، اتان و دیگر هیدروکربنها که با سرعت کمتری نفوذ می کنند گازهای کند نام گرفتهاند. غشاءها اجازه حذف انتخابی گازهای سریع از گازهای کند را می دهند. بطور مثال هنگامی که دی اکسیدکربن از جریان گاز حذف میگردد همزمان سولفید هیدروژن و بخارآب نیز حذف میشوند، اما متان، اتان و هیدروکربنهای سنگین تر در زمان طولانی تری حذف میگردند[12, 13]
شکل 1- 1: گازهای سریع و کند بر اساس مقاومت در برابر حرکتشان [12]
1-2-3- تقسیم بندی غشاءها
به دلیل کاربردهای وسیع و جهت سهولت شناخت و استفاده از غشاءها، تقسیم بندی آنها ضروری به نظر میرسد که در این بخش تقسیم بندی غشاءها بر اساس معیارهای مختلف آورده شده است.
1-2-3-1- تقسیم بندی بر اساس جنس غشاء
غشاءها به دو صورت عمده غشاءهای بیولوژیکی( طبیعی ) و غشاءهای سنتزی هستند که غشاءهای سنتزی شامل غشاءهای پلیمری، سرامیکی، فلزی و مایع میباشند که در ادامه هرکدام از موارد به اختصار توضیح داده شده اند:
غشاءهای پلیمری
در حالت کلی، عبور مولکولهای گازی از طریق غشاءهای پلیمری با مکانیسم انحلال-نفوذ صورت میگیرد. دیگر مکانیزمهای موجود در این غشاء میتواند مکانیسمهای غربال ملکولی یا نفوذ نادسن باشد[14].
از جمله غشاءهای پلیمری میتوان به غشاءهای ساخته شده از جنس پلی پروپیلن، تفلون، پلی آمید، پلی ایمید و پلی سولفون و… اشاره کرد. هرکدام از این مواد بر اساس ساختار شیمیایی خود، دما و PH محیط، حلالیت مواد و مقاومت آنها مورد استفاده قرار میگیرند. تخلخل بالا یکی از ویژگیهای مهم در غشاءهای پلیمری است.
غشاءهای پلیمری در بازیافت هیدروکربنها و گازهایی به کار میروند که در فرآیندهای مربوطه وارد اتمسفر شده و یا سوزانده میشوند، بنابراین از نظر کاهش آلایندههای محیطی می توانند بسیار با ارزش باشند. غشاءهای پلیمری که قابلیت عبور ذرات بزرگتر مانند هیدروکربن های سنگین گازی را در مقایسه با ذرات کوچکتر مانند متان و ازت دارند، به صورت پیوسته تهیه میشوند. قابلیت انتخاب پذیری معکوس و عبوردهی بالای این غشاءها، مزیت بسیار مهمی است که در کاربردهایی مانند خالص سازی گاز طبیعی که بخش عمده آن را متان تشکیل میدهد، نیاز به تقویت فشار مجدد گاز خالص شده را برطرف میکند.
نیاز به غشاءهایی با مجموعه خواص مطلوب شامل شار عبوری بالا، انتخاب پذیری بالا و پایداری شیمیایی، مکانیکی و حرارتی مناسب، محققین را به سمت توسعه غشاءهای هیبریدی نانوکامپوزیتی ( شامل مواد معدنی پخش شده در ماتریس پلیمری ) سوق داده است[15].
غشاءهای مایع
غشاء فازی است بین دو فاز دیگر که انتقال جرم بین آنها را کنترل می کند. اگر این فاز میانی یک مایع امتزاج ناپذیر با دو فاز دیگر باشد، نقش یک غشاء مایع را خواهد داشت. غشاءهای مایع به سه صورت غشاءهای امولسیونی،19 پایه ای20 و جریانی21 هستند. در غشاءهای امولسیونی از عوامل فعال کننده سطحی22 برای تولید امولسیون استفاده می کنند. در غشاء نوع دوم از مایعی در داخل یک جامد متخلخل با حفراتی در حد میکرون استفاده می کنند. در غشاء جریانی هم، جریان مایع- مایع به صورت پیوسته برقرار بوده و حفرات را همواره پر نگه میدارد[16].
شکل 1- 2: عملکرد غشاء مایع [16]
غشاءهای سرامیکی
این غشاءها که شامل اکسیدهای آلومینیوم، زیرکونیوم، تیتانیوم و سیلسیوم میباشند، دارای مزایایی مانند مقاومت حرارتی، مکانیکی و شیمیایی بالا، طول عمر زیاد، مقاومت خوردگی و باکتریایی بالا، امکان احیا، امکان تمیزکردن و کنترل مطلوب اندازه حفرات هستند. در این غشاءها، هیچ افزودنی مورد نیاز نبوده و محدودیتی در دمای فرآیند وجود ندارد. فیلتراسیون به کمک سرامیک، یک فرایند با انتخاب پذیری بالاست که بدون تبدیلات فازی است. ولی در کنار این مزایا، معایبی مانند هزینه ساخت بالا و مشکل بودن انجام اصلاحات بعدی بر روی غشاء نیز وجود دارد.
در غشاءهای سرامیکی جریان یا محیطی که باید تصفیه شود، از داخل کانالهای حامل غشاء عبور داده میشود. ذرات در صورتی که بزرگتر از شعاع حفرات غشاء باشند، باقی مانده و نشست میکنند و ماده تغلیظ شدهای را ایجاد میکنند. ماده صاف شده از درون حفرات نفوذ کرده و وارد مراحل مختلف فرآیند میشود.
پایه غشاءهای سرامیکی، متشکل از اکسید آلومینیوم یا سیلیکون با حفرات باز است. این ماده نه تنها میتواند نفوذپذیری را بالا ببرد، بلکه نیازهای مربوط به پایداری مکانیکی را نیز مرتفع می سازد. در ابتدا غشاءهای سرامیکی در تکنولوژی تصفیه فاضلاب به کار می رفت. اما امروزه کاربردهای آنها تمامی صنایع را پوشش میدهد که این صنایع میتواند صنایع شیمیایی مانند جداسازی پاک کنندهها و کاتالیستها، صنایع فلزی مانند بازیافت فلزات سنگین، صنایع نساجی و صنایع کاغذ و خمیر چوب مانند جداسازی، تغلیظ و آب زدایی بیومس و خزه ها، صنایع غذایی و آشامیدنی مانند تغلیظ آب میوه، استریلیزاسیون شیر و آب پنیر و صنایع بازیافتی و محیط زیستی مانند کاهش BOD/COD، بازیابی آب از استخرهای شنا و بازیافت داروها و آفت کشها را در بر بگیرد[17].
شکل 1- 3: غشاء سرامیکی [17]
غشاءهای فلزی
این غشاءها که در حال حاضر بیشتر در آزمایشگاههای تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً از جنس فولاد ضدزنگ، سیلیس، آلومینیوم، نقره، نیکل و برخی از آلیاژها هستند. خصوصیت برجستهای که در رابطه با این غشاءها مطرح است، مقاومت آنها در برابر خوردگی است.
در زمینه جداسازی گاز که بیشتر به تخلیص گاز هیدروژن برای پیلهای سوختی مربوط میشود، دستهای از غشاءهای فلزی توسعه یافتهاند. البته در تصفیه آب آشامیدنی و حذف مواد آلی طبیعی به روش لختهسازی و میکروفیلتراسیون نیز از غشاءهای فلزی همراه با هوا دهی یا تزریق گاز ازون به عنوان یک روش جدید برای حذف آلودگیهای آب باران استفاده شده و ثابت شده است که غشاء فلزی برای کاهش میکروبها و ذرات آلوده کننده از آب باران کافی است. برای حصول غشاء فلزی با خواص ویژه، جنس پایه و روش ساخت و پوشش دهی آن اهمیت بسیاری دارد. تقریباً اکثر روشهای ساخت، شامل ایجاد شرایط خاص دما و فشار و همچنین انجام برخی عملیات اصلاحی، بر روی پایه یا غشاء ساخته شده است. در این راستا خواص غشاءها نظیر نفوذپذیری، ظرفیت عبور سیال، مقاومت شیمیایی، مقاومت مکانیکی و حرارتی باید مد نظر قرار بگیرد.
در رابطه با عملکرد این غشاءها، مطالعات اخیر بر روی ساخت غشاءهای فلزی متراکم مرکب، با ضخامت حدود زیر میکرون تا چند ده میکرون و ویژگیها و کاربردهای آنها متمرکز شده است. توسعه غشاءهای فلزی پایدار یا مرکب بیشتر به دلیل کاهش هزینههای مواد، بهبود استحکام مکانیکی و امکان نفوذ بیشتر مواد میباشد. غشاءهای مرکب فلزی دارای پایههایی از جنس فلز، سرامیک یا پلیمر هستند. البته در اکثر موارد استفاده از فولاد ضدزنگ به عنوان پایه غشاء فلزی پیشنهاد شده است. ساخت غشاء با این فلز هزینه کم و استحکام مکانیکی بالایی داشته و اکثر فرآیندهای صنعتی تولید و خالص سازی هیدروژن، از لحاظ شیمیایی بی اثر است. از جمله روشهای متداول در ساخت غشاءهای فلزی، روش ترسیب شیمیایی، ترسیب الکتروشیمیایی، ترسیب شیمیایی و فیزیکی بخار، روش پاشش پودر خیس میباشند[17].
شکل 1- 4: غشاء فلزی [17]
1-2-3-2- تقسیم بندی بر اساس ساختار غشاء
بر اساس ساختمان غشاءها می توان آنها را به دو دسته متقارن و نامتقارن تقسیم کرد. در دو سمت غشاءهای متقارن ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان میباشد. ضخامت این نوع غشاءها بین 200-100 میکرون است. هرقدر ضخامت غشاءها زیادتر باشد، مقاومت در برابر انتقال جرم زیاد بوده و از طرف دیگر با کاهش ضخامت، مقاومت مکانیکی آن کاهش مییابد که برای حل این مشکلات، از غشاءهای نامتقارن که در آنها ابعاد حفرات و توزیع آنها یکسان نیست استفاده می کنند. این غشاءها از دولایه تشکیل یافتهاند در آن یک لایه فعال با ضخامت کمتر و متراکم تر وجود دارد که در آن جداسازی صورت میگیرد. لایه دیگر که به صورت پایه عمل میکند و حفرات بزرگتری دارد، بر مقاومت مکانیکی لایه اول میافزاید. البته در این نوع غشاءها هر دو لایه از یک ماده تشکیل میشوند. یکی دیگر از انواع غشاءهای نامتقارن که تحت عنوان غشاءهای مرکب یا کامپوزیتی هستند، دو لایه از دو جنس متفاوت بوده و روش ساخت و اتصال آنها نیز تفاوت هایی با یکدیگر دارند[17].
1-2-3-3- تقسیم بندی براساس شکل هندسی غشاء
غشاءها را میتوان بر اساس شکلشان به انواع غشاءهای صفحه ای، لوله ای، مارپیچی و الیاف توخالی تقسیم کرد. غشاءهای مارپیچی را می توان بر حسب نیاز، در دماها و فشارهای بالا مورد استفاده قرار داد. غشاءهای لوله ای در غلظت های بالایی از جامد مورد استفاده قرار می گیرند. در فرایند فیلتراسیون جریان متقاطع نیز، الیاف توخالی را میتوان تحت عملیات شستشوی معکوس قرار داد.
جدول 1- 5: مقایسه انواع مختلفی از غشاءها [17]
Hollow Fiber
Tubular
Spiral
Plate/Frame
500-9000
30-200
200-800
300-500
Packing Density (m2/m3)
Poor
Very Good
Moderate
Good
Fouling Resistance
Poor
Excellent
ِFair
Good
Ease of cleaning
Low
High
Low
High
Relative Costs
غشاءها در داخل محفظهای قرار میگیرند که تحت عنوان مدول اطلاق میشود. نوع جریان در سطح غشاء و نیز نحوه حرکت سیال بستگی به نوع مدول انتخابی دارد. در واقع مدول به منظور نگهداری غشاء، کنترل حرکت سیال و افزایش نسبت سطح به حجم به کار میرود. در هر مدول، غشاءها به همراه نگهدارندهها و پایههای خود در یک شکل هندسی خاص قرار می گیرند که دارای مجراهایی برای ورود خوراک، توزیع خوراک و همچنین جمع آوری مواد می باشد. انواع مدولهایی که به کار میرود شامل مدولهای لوله ای، صفحه و قاب، مارپیچی و موئینهای است که بر اساس ویژگیها و مزایایی که دارند میتوانند کاربردهای متفاوتی داشته باشند.
شکل 1- 5: نمونه ای از مدولهای غشائی [17]

ی و ماده جاذب رطوبت و دیگری جذب در اثر خاصیت میعان مویینگی به گونهای که مولکولهای آب و هیدروکربورهای سنگین در حفره های دانهای جاذب رطوبت به دام افتاده و مایع شوند و در دمای بالا مجدداً به صورت بخار از درون حفرهها خارج شده و بستر احیا شود. موادی که بدین طریق عمل جذب و دفع را انجام میدهند کاربرد گستردهای در صنعت دارند. خواص مشترک مورد نیاز این جامدات جاذب رطوبت به قرار زیر است:
سطح فعال این مواد در فرایند جذب زیاد باشد.
شرایط احیا آن در حد قابل قبولی باشد.
سرعت جذب رطوبت گاز زیاد باشد.
احیای آن آسان و اقتصادی باشد.
در برابر جریان گاز، مقاومت کمی داشته باشد یعنی افت فشار کمی در گاز ایجاد کند.
از قدرت مکانیکی بالایی برخوردار باشد تا دانههای آن شکسته و یا ساییده نشود.
جنس آن خورنده و سمی نباشد، ارزان و از نظر شیمیایی خنثی باشد، دانسیته آن زیاد باشد.
در زمان احیا و سرویس تغییرات حجمی آن ناچیز باشد.
مواد جاذب رطوبت به دلیل فضای متخلخل زیادی که دارند ( هر گرم آن حدود 500 تا 800 متر مربع مساحت دارد) بهترین انتخاب در این خصوص میباشند.
انواع مواد جامد جاذب رطوبت
مواد جامد جاذب رطوبت از نظر تجاری به گروههای زیر تقسیم بندی میشوند:
بوکسیت11: در طبیعت به صورت سنگ معدن وجود دارد که بیشترین حجم آن را اکسید آلومینیوم AL2O3 تشکیل میدهد.
آلومینا12: یک محصول خالصتر میباشد و از بوکسیت ساخته میشود.
ژل ها13: توسط واکنشهای شیمیایی ساخته میشوند و بخش عمده آن را اکسید سیلیس (SiO2) تشکیل میدهد.
زغال فعال14: یک محصول به دست آمده از زغال سنگ است که برای جذب مواد فعال شده است.
غربال مولکولی15: یک اسفنج از ترکیبات کلسیم، سدیم و آلومینیم سیلیکات است و فرمول کلی آن به قرار زیر است:
(1-1)
تمام مواد فوق به استثنای کربن فعال برای نم زدایی مورد استفاده قرار میگیرد. ظرفیت جذب کربن فعال بسیار کم بوده و برای بازیافت هیدروکربنها و جذب ناخالصیهای مشخصی که خواص معینی دارند، به کار برده میشود.
به طور معمول لوازم و تجهیزات مورد استفاده برای مواد مختلف، اساساً مشابه بوده و در بسیاری از حالات قابلیت تعویض با یکدیگر را دارند و واحدهای طراحی شده برای عملیات یکی از آنها برای نوع دیگر مناسب است.
کاربردهای اساسی جامدات جاذب رطوبت شامل موارد زیر است:
چنانچه گاز کاملاً خشک مورد نیاز باشد، از این فرآیند استفاده میشود.
در مواردی که از لحاظ موقعیت مکانی، محدودیت وجود دارد.
در نم زدایی از گاز طبیعی با فشار بالا و حجم زیاد، چنان چه نقطه شبنم پایین مد نظر باشد استفاده از این سیستم نسبت به سیستم نم زدایی به وسیله گلایکول مناسبتر است.
1-3-2-1- سیلیکاژل
سیلیکاژلها به صورت پودر یا دانههای سخت با ظاهری شیشهای شبیه کوارتز وجود دارند. این مواد را اغلب با فرمول SiO2+nH2O نشان میدهند، مخلوط حاصل را درون یک هیدروسل قرار داده و پس از شستن و بیرون ریختن سولفات سدیم، هیدروژل را خشک می نمایند. محصول به دست آمده تخلخل بالایی دارد به گونه ای که قطر متوسط منافذ آن 40 آنگستروم است. جدول 1- 2 آنالیز شیمیایی یک نوع سیلیکاژل تجاری را نشان می دهد.
1-3-2-2- موبیل سوربید
موبیل سوربید یک نوع سیلیکاژل اصلاح شده است که تکنیکهای پیشرفتهتری در ساخت آن به کار رفته و به شکل دانههای سخت کروی و نیمه شفاف دیده میشود که در آن تعداد حفرههای بسیار زیادی وجود دارند که دیده نمیشوند. بخار در این حفرهها به دام می افتد و مایع میشود، حفرهها در موبیل سوربید آنقدر زیاد است که هر 500 گرم آن 30 هکتار مساحت دارد. سوربیدها خورنده نیستند و در شرایط ایستایی حدود 40% وزن خود آب جذب میکنند. چون فعالیت موبیل سوربیدهای نوع H و نوع R بسیار زیاد است، آب میتواند سبب شکستن دانهها شود، جهت حفاظت از بستر سوربیدهای H و R در برابر آب، از سوربید نوع W و Ws استفاده میشود، نوع W و Ws در برابر آب مقاوم است، پیش از این محصول موبیل سوربید تحت نام KC-TROCKENPERELEN عرضه میشد که محصول شرکت Engelhard آلمان بود ( بعدها شرکت BASF این شرکت را خریداری نمود). در حال حاضر شرکتهای متعددی این محصولات را با نامهای تجاری مختلف به بازار عرضه مینمایند. سیلیکاژل نوع H برای جداسازی هیدروکربونهای سنگین تر از پنتان و نوع Ws برای جداسازی آب از جریان گازی مورد استفاده قرار میگیرد.
در حال حاضر شرکتهای Union Carbide، BASF، Slicarbon و بسیاری دیگر ( شرکتهای روسی و چینی) از عمدهترین تولیدکنندگان این مواد در خارج کشور بوده و در داخل کشور نیز تلاشهای بسیار خوبی برای تولید این مواد انجام شده است و دانش فنی تولید آن بدست آمده است، اطمینان داریم بزودی محصولات تولید داخل کشور به عنوان رقیب محصولات خارجی در پالایشگاههای گاز کشور استفاده خواهند شد.
1-3-2-3- آلومینای فعال
آلومینای فعال شکلی از اکسید آلومینیوم است که مقادیر جزیی هیدرات ها و ذرات متخلخل و مقادیر بسیار کمی از عناصر دیگر در آن به کار رفته است. 51% از حجم ذرات آن را حفرهها تشکیل میدهند. آنالیز نمونه ای از آن در جدول 1- 2 نشان داده شده است.
1-3-2-4- بوکسیت فعال
بوکسیت فعال ذراتی با رنگ قرمز متمایل به قهوهای میباشند که از سختی بالایی برخوردارند. این ماده به طور طبیعی از گرم کردن بوکسیت تحت شرایط خاصی که آب از آلومینای آن خارج میشود به دست میآید که پس از فعال نمودن آن دارای ترکیب درصدهایی همانند جدول 1- 2 میباشد. از ویژگیهای برجسته بوکسیت فعال، پایین بودن هزینههای عملیاتی در مقایسه با دیگر جاذبها است. ویژگی دیگر آن مقاوم بودن در برابر آب مایع است و از معایب عمده آن پایین بودن ظرفیت جذب آن میباشد.
جدول 1- 2: مقایسه ظرفیت جذب انواع مواد خشک کننده در برابر هوای مرطوب [3]
1-3-2-5- غربال مولکولی
گرچه تهیه غربالهای مولکولی به طور طبیعی از مدتها قبل شناخته شده بود ولی تا سال 1954 که شرکت Union Carbide موفق به ساخت آن از طریق واکنشهای شیمیایی شد، غربالهای مولکولی جزء مواد تجاری به حساب نمیآمدند. غربال مولکولی برخلاف خشک کنندههای متداول (سیلیکاژل، موبیل سوربید، اکسید آلومینیوم و … ) دارای ساختمان کریستالی میکروسکوپی ثابت با مشخصات مخصوص به خود میباشد، که با استفاده از یک ماده ثانوی میتوان ساختمان ظاهری آن را به اشکال مختلف مورد استفاده در صنعت در آورد. از نظر شیمیایی مجموعهای از ترکیبات کلسیم، سدیم، آلومینیوم سیلیکات مواد اصلی تشکیل دهنده آن است. پس از انجام عملیات تکلیس16 در مجاورت حرارت 400 تا 600 درجه سانتی گراد، آبهای کریستالی در ساختمان آن خارج میشود و منافذ بسیار ریزی در حد آنگستروم به وجود میآید و کار جذب رطوبت را انجام میدهد. در حالتهای خاص میتوان اندازه منافذ ایجاد شده را با تغییرات جزئی در مبادله یونی بین سدیم، پتاسیم و کلسیم به طور دلخواه تغییر داد و منافذی با قطر 3 تا 5 آنگستروم ایجاد نمود تا جذب مولکولهای کوچک در آن صورت گیرد.
اگر تغییرات خاصی بر روی آلومینیوم سیلیکات صورت گیرد منافذی با قطرهای 8 تا 10 آنگستروم ایجاد خواهد شد که برای جذب مولکولهای بزرگتر مورد استفاده قرار میگیرد به گونهای که از علامت اختصاری آن به اندازه منافذ و کاربرد آن میتوان پی برد. به عنوان مثال نوع (4A) قادر است فقط آن دسته از مولکولهایی را جذب کند که قطر آن 4 آنگستروم بیشتر نباشد. در ساختمان این ماده پتاسیم جایگزین سدیم شده (4A) در نوع (5A) کلسیم جایگزین سدیم شده است. اندازه مولکولهایی را که قادرند به داخل ساختمان کریستالی غربال مولکولی نفوذ کرده و در آن جذب شوند به همراه دیگر ویژگیهای مهم آن در جدول 1- 3 آمده است. علاوه بر غربال مولکولی که در جدول 1- 3 آمدهاند دو نوع غربال مولکولی دیگر نوع AW 300 و AW500 برای نم زدایی از گازهای ترش بکار میروند.
غربالهای مولکولی در نم زدایی از گازهایی به کار می روند که باید خشک شوند و نقاط شبنم بسیار پایینی را در اختیار قرار می دهند ( حدود 100- درجه سانتی گراد).
اگر چه غربالهای مولکولی نسبت به دیگر مواد خشک کننده گران هستند ولی دارای مزایای زیر هستند:
برای نم زدایی از گازهایی که رطوبت نسبی آن پایین است، ظرفیت جذب بالایی دارند.
در دمای بالاتر از 50 درجه سانتی گراد نیز قادر به نم زدایی هستند.
به طور انتخابی آب و هیدروکربور را جذب میکنند.
هر ناخالصی همراه گاز را جذب میکنند.
گاز را کاملاً خشک نموده و نقطه شبنم پایین ایجاد مینمایند.
در برخورد با آب شکسته و یا ساییده نمی شوند و به یک لایه محافظ نیاز ندارند.
ظرفیت جذب آب به صورت پوند آب جذب شده توسط 100 پوند غربال مولکولی در فشار 5/17 میلیمتر جیوه و دمای 25 درجه سانتیگراد به شکل کروی تعریف میشود.
جدول 1- 3: خواص انواع غربال های مولکولی [3]
یکی از مهم ترین خواص غربال مولکولی داشتن حالت انتخاب و جذب ذرات مولکولی است به طوری که میتوان به راحتی ایزومرهای یک هیدروکربور را از مشتقات اصلی آن به روش کاملاً اقتصادی جدا نمود. به دلیل خاصیت فوق العاده شدید در جذب مولکولهای قطبی H2S، CO2، H2O میتوان به تفکیک هیدروکربورهای غیر اشباع از هیدروکربورهای اشباع پرداخت.
خواص فیزیکی انواع مواد جاذب رطوبت در جدول 1- 4 داده شده است. در ادامه خواص مهم هر یک از جاذبهای تجاری شرح داده شده است.
جدول 1- 4: خواص فیزیکی انواع مواد خشک کننده تجاری [3]
پارامترهای مؤثر در انتخاب یک ماده جامد خشککننده
انتخاب یک ماده جاذب رطوبت با در نظر گرفتن مسایل اقتصادی صورت میگیرد در این قسمت به بعضی پارامترهایی که در انتخاب این مواد مؤثر است اشاره میشود.
آلومینا نسبتاً ارزانتر از بقیه است چون ظرفیت جذب آن پایین است، بنابراین برای رسیدن به نقطه شبنم مطلوب، نیاز به طراحی برج بزرگتری میباشد. بنابراین دستگاه ها و لوازم احیا نیز به همان نسبت افزایش مییابد.
غربال مولکولی از بقیه جاذبها گرانتر است ولی برخلاف همه آنها قادر است گاز با دمای بالاتر از 50 درجه سانتی گراد را نیز خشک نماید، در مقابل گاز ترش نیز قادر به جذب آب میباشد و نقطه شبنم پایین تر از دیگر خشک کنندهها ایجاد میکند. برای گازهای ترش که ترکیبات گوگردی کمی دارند سیلیکاژل مناسب است، خشک کننده هایی نظیر آلومینای فعال که در ترکیب آنها، آهن به کار رفته است. برای نم زدایی از گازهای ترش مناسب نیستند چون اکسید آهن به کار رفته در آن با H2S واکنش می دهد و سولفور آهن به وجود میآورد و این واکنش به طور کلی خصوصیات ماده جاذب رطوبت را عوض میکند.
در حالتی که PH آب تشکیل شده درون منافذ از 5 کمتر شود باید از غربال مولکولی نوع AW استفاده شود.
1-2- فرآیندهای غشائی
در چند سال اخیر، فرآیندهای غشائی به طور گسترده در فرآیندهای جداسازی مورد استفاده قرار میگیرد. در صنایع گاز استفاده از غشاءها برای جداسازی گازهای مختلف، روند رو به رشدی داشته و جداسازی ترکیبات مختلف از گاز طبیعی توسط فرآیندهای غشائی مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. تکنولوژی غشاء به خاطر ویژگی های ذاتی خود مانند حجم کم، احتیاج نداشتن به انرژی برای احیا، سادگی در انجام عملیات، نداشتن قسمت متحرک و … جایگزین مناسب و بسیار جذابی برای فرآیندهای جذب و جذب سطحی رایج در پالایشگاههای گاز است[7].
1-2-1- معرفی تکنولوژی غشاء
غشاء عبارتست از یک ناحیه غیرپیوسته که بین دو فاز قرار داده میشود[8]. در این ناحیه انتقال جرم انتخاب پذیر اتفاق میافتد که این انتقال بواسطه اختلاف در خواص فیزیکی و شیمیایی بین دو فازی است که غشاء بین آنها قرار گرفته است[9]. در

(2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه ) 74
شکل 4- 11: اثر دبی جریان مایع بر بازده و دمای نقطه شبنم هوای خروجی ( ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان گاز: 1000 میلی لیتر بر دقیقه ) 75
شکل 4- 12: اثر دبی جریان مایع بر بازده و دمای نقطه شبنم هوای خروجی ( ماژول (2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان گاز: 1000 میلی لیتر بر دقیقه ) 76
شکل 4- 13: اثر دبی جریان مایع بر میزان شار انتقال جرم بخار آب ( ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان گاز: 1000 میلی لیتر بر دقیقه ) 77
شکل 4- 14: اثر دبی جریان مایع بر میزان شار انتقال جرم بخار آب ( ماژول (2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان گاز: 1000 میلی لیتر بر دقیقه ) 78
شکل 4- 15: اثر غلظت تری اتیلن گلایکول بر بازده و دمای نقطه شبنم هوای خروجی (ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 79
شکل 4- 16: اثر غلظت تری اتیلن گلایکول بر بازده و دمای نقطه شبنم هوای خروجی (ماژول (2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 79
شکل 4- 17: اثر غلظت تری اتیلن گلایکول بر میزان شار انتقال جرم بخار آب (ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 80
شکل 4- 18: اثر غلظت تری اتیلن گلایکول بر میزان شار انتقال جرم بخار آب (ماژول (2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 81
شکل 4- 19: اثر جهت جریان بر بازده در دبی های مختلف گاز ( ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه ) 82
شکل 4- 20: اثر جهت جریان بر بازده در دبی های مختلف گاز ( ماژول (2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه ) 82
شکل 4- 21: اثر جهت جریان بر دمای نقطه شبنم هوای خروجی در دبی های مختلف گاز ( ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه ) 83
شکل 4- 22: اثر جهت جریان بر دمای نقطه شبنم هوای خروجی در دبی های مختلف گاز ( ماژول (2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه ) 83
فصل اول
مقدمه
1-1- گاز طبیعی و رطوبت زدایی از آن
گاز طبیعی یکی از مهمترین منابع اولیه انرژی است. مخازن گازی بزرگی در دهههای اخیر کشف شدهاند و امید به کشف مخازن گازی بیشتر، بسیار روشن است. گاز طبیعی موجود در مخازن زیرزمینی تحت شرایط دمایی و فشاری خاص، درکنار نفت و آب قرار دارد. از این جهت گاز طبیعی ممکن است مقداری ناخالصی شامل دی اکسید کربن، سولفید هیدروژن، بخار آب و … به همراه خود داشته باشد[1].
گاز طبیعی برای این که بتواند به مصرف خانگی و صنعتی برسد، باید طی چند مرحله در پالایشگاهها تصفیه شود و ناخالصی آن گرفته شود، میزان این ناخالصیها بایستی در حد استاندارد خط لوله یا فروش باشد. از مهم ترین مراحل تصفیهی گاز طبیعی، جذب گازهای اسیدی از گاز در صورت دارا بودن این ترکیبات و نم زدایی1 است.
نم زدایی یا رطوبت زدایی یکی از مراحل پالایش گاز طبیعی است. پس از تفکیک نفت از گاز، مقداری آب آزاد همراه با گاز طبیعی وجود دارد. که بیشتر آن توسط روشهای جداسازی ساده در سر چاه یا در نزدیکی آن از گاز جدا میشود. در حالی که بخار آب موجود در محلول گاز میبایست طی فرآیندی بسیار پیچیده تحت عنوان نم زدایی و یا رطوبت زدایی از گاز طبیعی تفکیک گردند.
1-2- مشکلات ناشی از حضور بخارات آب در گاز طبیعی
آب شاید یکی از ناخالصیهای ناخواسته مشترک تمام گازهای طبیعی است. معمولاً بخار آب به تنهایی باعث بروز مشکل چندانی نمیشود، این ماده بصورت مایع یا جامد در حالت تراکم و یا خنک شدن از گاز جدا شده و ایجاد مشکل مینماید. اگر دمای دیواره لوله انتقال یا مخازن نگهداری گاز طبیعی تا به زیر دمای نقطه شبنم2 گاز کاهش یابد، بخارات آب موجود در گاز طبیعی شروع به میعان شدن بر روی سطح سرد لوله میکنند که مشکلات زیر را در بر خواهد داشت[2]:
گاز طبیعی در کنار قطرات آب امکان تشکیل هیدرات3 را ایجاد میکند، که تشکیل هیدرات خود موجب افزایش افت فشار، انسداد، گرفتگی جزئی یا کلی خط لوله گاز و در برخی موارد انفجار خط لوله میشود.
گازهای دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن موجود در گاز طبیعی در قطرات آب حل میشوند و موجب به وجود آمدن ترکیبات بسیار خورندهای میشوند که باعث آسیب رسیدن به خط لوله میشود.
بخار آب موجب کاهش ارزش حرارتی4 گاز طبیعی میشود.
اشغال قسمتی از سطح لوله و کاهش ظرفیت مفید آن
انجماد در واحدهای جذب که با سرمایش گاز همراه میباشند.
1-3- انواع روشهای نم زدایی از گاز طبیعی[3-6]
انتخاب روش نم زدایی بستگی به شرایط گاز (اجزای تشکیل دهنده و فشار و دما و دبی) و میزان نیاز به نم زدایی دارد. مقدار آب موجود در گاز را میتوان با نقطه شبنم گاز در فشار و دمای مورد نظر مشخص کرد. کاهش نقطه شبنم گاز، نشانگر مقدار آبی است که در فرآیند نم زدایی از گاز جدا میشود. روشهای مختلف نم زدایی عبارتند از:
روش جذب در مایع بوسیله مایعات جاذب رطوبت5
در این روش رطوبت گاز توسط یک مایع حلال از گاز جدا میشود. انواع مختلف گلایکول از مهم ترین موادی است که در این روش مورد استفاده قرار میگیرد.
روش جذب جامد به وسیله جامدات جاذب رطوبت6
در این روش رطوبت گاز توسط یک جامد فعال از گاز جدا میشود، سیلیکاژل، موبیل سوربید، اکسید آلومینیوم و غربال مولکولی از مهمترین جامداتی هستند که در این روش به کار میروند.
روش میعان نمودن آب به وسیله فشردن یا سرد کردن گاز7
در این روش گاز توسط کمپرسور فشرده شده و با توجه به این که دمای آن زیاد می شود، توسط یک سیستم خنک کننده سرد شده و بخارات آن که مایع شده از گاز جدا می شود. در این روش گاز مرطوب در اثر تبادل حرارت با یک ماده مبرد8 سرد میشود. در این عمل بخارات آب و هیدروکربونهای سنگین آن کندانس شده و به صورت مایع از گاز جدا می شود. این عمل ممکن است در چند مرحله انجام شود.
1-3-1- جذب در مایع بوسیله مایعات جاذب رطوبت
مایعاتی که برای جذب آب به کار برده میشوند، باید خواص مطلوبی داشته و نیازهای متعدد عملیاتی را برآورده نمایند که مهم ترین آنها عبارتند از:
خاصیت جذب آب زیاد
قیمت پایین
خاصیت غیر خورندگی
پایداری در برابر اجزای گاز
پایداری در مدت زمان احیا
سادگی در احیا
چسبندگی (ویسکوزیته) پایین و مناسب
فشار بخار پایین در درجه حرارت تماس با گاز
خاصیت حلالیت کم در گاز طبیعی و هیدروکربورهای مایع
خاصیت ایجاد کف پایین و میل کم به امولسیون شدن
دو ماده آلی که تمام خواص ذکر شده را در سطح رضایت بخشی برآورده مینمایند عبارتند از:
دی اتیلن گلایکول9
تری اتیلن گلایکول10
انواع مختلف گلایکول ها
گلایکولها، به ویژه دی اتیلن گلایکول (DEG) و تری اتیلن گلایکول (TEG) در سیستمهای نم زدایی از گاز اهمیت ویژهای دارند. در جدول 1- 1 مشخصات فیزیکی گلایکولها قابل مشاهده میباشد. با توجه به خواص گلایکولها که ذکر شد، مهم ترین عواملی که موجب استفاده گسترده از گلایکولها در نم زدایی گازها میشود عبارتند از خاصیت جذب آب، پایداری عالی در برابر حرارت و در برابر تجزیه شیمیایی، فشار بخار پایین و قیمت مناسب.
جدول 1- 1: مشخصات انواع گلایکول ها [3]
Methanol
Tetraethylene Glycol
Triethylene Glycol
Diethylene
Glycol
Ethylene Glycol
CH3OH
C6H18O5
C6H14O4
C4H10O3
C2H6O2
Formula
32.04
194.2
150.2
106.1
62.1
Molecular Weight
64.5
314
285.5
244.8
197.3
Boiling Point at 760 mm Hg (25°C)
120
0.01
0.01
0.01
0.12
Vapor Pressure at 25°C (mm Hg)
0.79
1.12
1.119
1.113
1.11
Density at 25°C (g/cc)
-144
22
19
17
8
Freezing Point (°F)
0.52
44.6
37.3
28.2
16.5
Viscosity at 25°C (centipoise)
22.5
45
45
44
47
Surface Tension at 25°C (dynes/cm)
0.60
0.52
0.53
0.55
0.58
Specific Heat at 25°C (Btu/(lb.°F))
هرچه وزن مولکولی گلایکولها افزایش یابد، خاصیت جذب آب در آنها نیز بالا میرود. چهار نوع عمده و تجاری گلایکولها عبارتند از : مونو اتیلن گلایکول (MEG)، دی اتیلن گلایکول (DEG)، تری اتیلن گلایکول (TEG) و تترا اتیلن گلایکول (TREG). نقطه جوش مونو اتیلن گلایکول و دی اتیلن گلایکول پایین میباشد، لذا این مواد از میزان هدر رفت بالایی برخوردار هستند. از طرفی تترا اتیلن گلایکول بسیار ویسکوز و گران است. لذا بهترین حلال، تری اتیلن گلایکول است که در بین انواع گلایکولها به دلیل داشتن نقطه جوش و دمای تبخیر بالا، قابلیت بازیافت تا 99-98 درصد در یک برج احیا که با فشار اتمسفریک کار می کند، منحصر به فرد به شمار میرود. این مسئله اجازه میدهد که بتوان دمای نقطه شبنم را در محدوده 150-80 درجه فارنهایت تنظیم نماییم. همچنین دمای نقطه تخریب تری اتیلن گلایکول حدود 206 درجه سانتی گراد است، در صورتی که برای دی اتیلن گلایکول این نقطه حدود 164 درجه سانتی گراد است و نیز در دمای بیشتر از 21 درجه سانتی گراد به اندازه تترا اتیلن گلایکول ویسکوز نمیباشد.
به منظور کاهش مقدار آب موجود در گازها توسط گلایکولها عمدتاً از سه روش مرسوم به شرح زیر استفاده میشود:
سیستم نم زدایی با گلایکول که در این سیستمها عمدتاً از برج تماس تری اتیلن گلایکول با خلوص بیش از 99% استفاده میشود و دمای بهره برداری گاز به طور متوسط در حد 20 تا 40 درجه سانتی گراد قرار دارد.
سیستمهای تبرید با تزریق مونو اتیلن گلایکول (در بعضی موارد دی اتیلن گلایکول) که در چیلرها، گاز سرد شده (تا حدود 20- تا 40- درجه سانتی گراد) و آب و هیدروکربورها از آن جدا میشود، در این سیستمها با ویژگیهای عملیاتی خاص خود گلایکول به عنوان ضد یخ عمل نموده و از بروز هیدرات در چیلرها و سایر تأسیسات تبرید شده ممانعت به عمل میآورد. بدیهی است که با سرد شدن گازهای غنی طبیعی، میعانات گازی و بخار آب موجود در گاز، آب آن توسط گلایکول جذب و از سیستم خارج میشود. گلایکولهای مورد استفاده در این سیستمها در جهت ممانعت از کریستالیزه شدن آنها معمولاً در محدوده غلظتی بین 60% تا 85% مورد استفاده قرار میگیرند.
در مواردی خاص که احتمال بروز هیدرات در شیرهای کنترل، تأسیسات تقلیل فشار گاز و سایر نقاط مشخص از سیستمهای عملیاتی وجود دارد میتوان با تزریق مقادیر حساب شده از انواع گلایکولها، ترجیحاً مونو اتیلن گلایکول و دی اتیلن گلایکول و یا متانول با غلظتهای ورودی معینی از خطر تشکیل هیدرات در تأسیسات مورد نظر جلوگیری به عمل آورد.
1-3-2- جذب آب توسط مواد جامد جاذب رطوبت
جذب مولکولی آب و هیدروکربور به دو طریق ممکن است انجام شود. یکی جذب بوسیله واکنشهای شیمیایی بین ماده جذب شدنی

که سبب دلگرمی ام هستند و دعای خیرشان بدرقه راهم بوده و هست.
سپاسگزاری
نخستین سپاس و ستایش از آن خداوندی است که بنده کوچکش را در دریای بیکران اندیشه، قطرهای ساخت تا وسعت آن را از دریچه اندیشههای ناب آموزگارانی بزرگ به تماشا نشیند. لذا اکنون که در سایه سار بنده نوازی هایش پایان نامه حاضر به انجام رسیده است، بر خود لازم میدانم تا مراتب سپاس را از بزرگوارانی به جا آورم که اگر دست یاریگرشان نبود، هرگز این پایان نامه به انجام نمیرسید.
ابتدا از استاد گرانقدرم جناب آقای دکتر پیمان کشاورز، که خود باوری را در من پروراندند و همواره راهنما و راهگشای بنده در اتمام و اکمال این پایان نامه بوده اند، کمال سپاس را دارم.
با تشکر و سپاسگذاری از زحمات بی دریغ استاد عالی قدر جناب آقای دکترسید شهاب الدین آیت اللهی که من را راهنمایی کرد.
از استادان عالی قدرم جناب آقای دکتر نصیر مهرانبد و جناب آقای دکتر عبدالمحمد علمداری که زحمت مشاوره این پایان نامه را متحمل شدند، صمیمانه تشکر میکنم.
از دوستان ارجمندم سرکار خانم مهندس سارا معصومی و جناب آقای مهندس علی گلخوار و دیگر دوستانی که مرا در انجام این تحقیق یاری نمودند، قدردانی و تشکر مینمایم.
با تشکر از کارکنان محترم بخش، جناب آقای مهندس همتیان، سرکار خانم مهندس کیانی، سرکار خانم مرآتیان و سرکار خانم برآهویی که در این پژوهش مرا یاری کردند.
سپاس آخر را به مهربانترین همراهان زندگیم، به پدر، مادر و همسر عزیزم تقدیم میکنم که حضورشان در فضای زندگیم مصداق بی ریای سخاوت بوده است.
چکیده
بررسی آزمایشگاهی رطوبت زدایی از گاز با استفاده از محلول تری اتیلن گلایکول در تماسدهنده های غشای الیاف توخالی
به کوشش
آرش فخارنژاد
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
عنوان صفحه
شکل 1- 1: گازهای سریع و کند بر اساس مقاومت در برابر حرکتشان 17
شکل 1- 2: عملکرد غشاء مایع 19
شکل 1- 3: غشاء سرامیکی 21
شکل 1- 4: غشاء فلزی 22
شکل 1- 5: نمونه ای از مدولهای غشائی 24
شکل 1- 6: نمائی از ماژول غشای الیاف تو خالی 26
شکل 3- 1: شماتیک فرآیندی رطوبت زدایی از گاز با استفاده از محلول تری اتیلن گلایکول، در تماس دهنده غشای الیاف توخالی 36
شکل 3- 2: کمپرسور هوا 37
شکل 3- 3: مرطوب ساز 37
شکل 3- 4: (a) ماژول شماره 1 (b) ماژول شماره 2 39
شکل 3- 5: رطوبت سنج دیجیتالی مدل TH-300 40
شکل 3- 6: پمپ گردش سیال جاذب 41
شکل 3- 7: خطی سازی نمودار دبی تری اتیلن گلایکول در مقابل دور موتور 41
شکل 3- 8: روند به حالت پایا رسیدن سیستم 43
شکل 3- 9: جریان موازی در تماس دهنده غشائی الیاف توخالی 46
شکل 3- 10: (1) حالت تر شوندگی کامل غشاء (2) حالت کاملاً خشک غشاء 46
شکل 3- 11: سطح مقطع تماس دهنده غشائی الیاف توخالی و تقریب به صورت سطح مقطع دایره ای شکل 47
شکل 3- 12: نواحی مختلف تماس دهنده در شبیه سازی 51
شکل 3- 13: ضریب نفوذ برای مخلوط دو جزئی بخار آب و هوا 55
شکل 3- 14: مشبندی جهت حل با استفاده از روش المان محدود 58
شکل 3- 15: الگوریتم حل برنامه 63
شکل 4- 1: اثر درصد رطوبت نسبی هوای ورودی بر بازده (ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 67
شکل 4- 2: اثر درصد رطوبت نسبی هوای ورودی بر بازده (ماژول (2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 67
شکل 4- 3: تغییرات دمای نقطه شبنم هوای خروجی با درصد رطوبت نسبی هوای ورودی (ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 68
شکل 4- 4: تغییرات دمای نقطه شبنم هوای خروجی با درصد رطوبت نسبی هوای ورودی (ماژول (2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 69
شکل 4- 5: اثر درصد رطوبت نسبی هوای ورودی بر میزان شار انتقال جرم بخار آب (ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 70
شکل 4- 6: اثر درصد رطوبت نسبی هوای ورودی بر میزان شار انتقال جرم بخار آب (ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دبی جریان گاز :1000 میلی لیتر بر دقیقه، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه) 71
شکل 4- 7: اثر دبی جریان گاز بر بازده و دمای نقطه شبنم هوای خروجی ( ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه ) 72
شکل 4- 8: اثر دبی جریان گاز بر بازده و دمای نقطه شبنم هوای خروجی ( ماژول (2)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه ) 73
شکل 4- 9: اثر دبی جریان گاز بر میزان شار انتقال جرم بخار آب ( ماژول (1)، دمای محیط، فشار اتمسفریک، دمای نقطه شبنم هوای ورودی: 24 درجه سانتی گراد، دبی جریان مایع: 9 میلی لیتر بر دقیقه ) 74
شکل 4- 10: اثر دبی جریان گاز بر میزان شار انتقال جرم بخار آب ( ماژول