بررسی انواع الگوهای جریان در ماژول های غشایی

موضوع: بررسی انواع الگوهای جریان در ماژول های غشایی
استاد درس:
ارائه دهنده:
محل آرم دانشگاه

فهرست
مقدمه ای بر پلاریزاسیون غلظتی
چه زمانی پلاریزاسیون غلظتی تشکیل خواهد شد؟
برخی راهکارهای مقابله با پلاریزاسیون غلظتی
بررسی انواع جریان در ماژول های غشایی
بررسی یک مدل شبیه سازی شده با نرم افزار کامسول

پلاریزاسیون غلظتی
در فرایند های غشایی غالباً با مخلوط های گازی یا مایع در سمت خوراک سر و کار داریم. چون سرعت عبور اجزاء مختلف از غشا متفاوت است در هر دو سمت غشا گرادیان غلظتی به وجود خواهد آمد.
در چنین شرایطی غلظت در سطح غشا با غلظت در توده ی سیال متفاوت است. این تفاوت موجب می شود تا عبوردهی غشا تغییر کند. و همین امر زمینه را برای به وجود آمدن پدیده ی Concentration Polarization به وجود می آورد.

چه زمانی پلاریزاسیون غلظتی تشکیل خواهد شد؟
𝐸 0 = 𝐶 𝑖𝑝 𝐶 𝑖𝑜

𝐽 𝑣

𝐷 𝑖
Intrinsic enrichment

Volume flux

Diffusion Coefficient

برخی راهکار های مقابله با پلاریزاسیون غلظتی
قرار دادن spacer در ماژول های غشایی به منظور به وجود آوردن جریان متلاطم. چرا که هرچه جریان متلاطم تر باشد D (ضریب نفوذ) افزایش خواهد یافت و افزایش ضریب نفوذ موجب کاهش پلاریزاسیون غلظتی خواهد شد.
افزایش فلاکس از غشا موجب افزایش پلاریزاسیون غلظتی می شود. لذا اسمز معکوس با غشای مارپیچی در فشار پایین انجام میشود تا از تشکیل پلاریزاسیون غلظتی جلوگیری شود.
یکی دیگر از کارهایی که تاثیر به سزایی در کاهش پلاریزاسیون غلظتی دارد اعمال جریان مناسب در مدول غشایی است.

بررسی انواع جریان در ماژول های غشایی

کاربرد ماژول های غشایی با جریان Counter-flow

یک روش ساده برای تشخیص به وجود آمدن گرادیان غلظتی در سمت permeate :

در درس انتقال جرم خواندیم که عدد پکلت (Pe) عدد بی بعدی است که به ما نسبت تاثیر گذاری Convection به Diffusion را در مکانیزم انتقال جرم نشان می دهد و به صورت زیر تعریف می شود:

𝑝𝑒= 𝛿𝐽 𝐷 =𝑅𝑒.𝑃𝑟

کاهش عدد پکلت باعث کاهش نرخ انتقال جرم به سیال می شود. در اعداد پکلت پایین مکانیزم انتقال جرم بیشتر تحت تاثیر نفوذ مولکولی است.

مثال 1:
فرآیند جداسازی بخارآب از هوا (خشک کردن هوا)

𝐽 𝑝𝑒𝑟 = 6.8 × 10 −3 𝑐𝑚 3 𝑐𝑚 2 ·𝑠
𝛿= 100 𝜇𝑚 , 𝐷=0.2 𝑐 𝑚 2 𝑠

مثال 2:
𝑃𝑒=3.4∗ 10 −4

عدد پکلت به این کوچکی بیانگر آن است که diffusion بسیار بزرگتر ازconvection در لایه ی support سمت عبورکرده است. لذا گرادیان غلظتی به وجود آمده در لایه مرزی کوچک است. در نتیجه به کارگیری جریان نا همسو برای این فرایند می تواند بسیار موثر باشد.

مثال 3:
در فرآیند PRO با استفاده از sweep در سمت عبورکرده
𝐽 𝑝𝑒𝑟 =5.6 × 10 −4 𝑐𝑚 3 𝑐𝑚 2 ·𝑠
𝛿= 100 𝜇𝑚 , 𝐷=0.6∗ 10 −5 𝑐 𝑚 2 𝑠
𝑃𝑒=0.9
عدد پکلت نزدیک به 1 بیانگر آن است که diffusion و convection تاثیر یکسانی دارند

کانتور های غلظت هیدروژن در دو حالت جریان همسو(آ) و جریان ناهمسو(ب)
بررسی یک مدل شبیه سازی شده با نرم افزار کامسول:

نمودار توزیع غلظت در طول سمت عبور کرده­ی غشا در دو حالت جریان همسو و جریان ناهمسو