مدل سازی و شبیه سازی نرم افزاری فرآیند جداسازی آلاینده گلخانه ای دی اکسید کربن با استفاده از محلول جاذب متیل دی اتانول آمین در تماس دهنده غشایی الیاف توخالی
DOI:
https://doi.org/10.5281/zenodo.19970595Keywords:
مدول غشایی, محلول آمینی, شبیه سازی, راندمان زدایشAbstract
در سالیان اخیر، انتشار بی رویه و فراتر از حد استاندارد آلاینده های مضر گلخانه ای نظیر دی اکسید کربن به معضلی جهانی تبدیل شده است. از این رو، انگیزه دانشمندان و محققین در سراسر جهان معطوف به یافتن راه های نوین، کارآمد و سازگار با محیط زیست جهت افزایش راندمان جذب و کاهش انتشار آن شده است. تماس دهنده های غشایی الیاف توخالی یکی از تکنیک های نسبتا جدید در صنعت شیرین سازی گاز بوده که به دلیل مزایای مهمی نظیر راندمان بالا، سهولت در ساخت و نبود طغیان و کف زایی در حین فرآیند توانسته محبوبیت زیادی را به دست آورد. هدف اصلی این مقاله توسعه یک مدل ریاضی و یک شبیهسازی محاسباتی دو بعدی برای ارزیابی راندمان جداسازی دی اکسیدکربن از مخلوط گازی دی اکسیدکربن/ متان در حالت عدم ترشوندگی منافذ غشا با استفاده از محلول آمینی متیل دی اتانول آمین (MDEA) است. با هدف ارزیابی دقت مدل توسعه یافته، نتایج آن با داده های تجربی مقایسه شد. مقایسه نتایج بیانگر وجود خطای نسبی حدود 5% بود از این رو اعتبار مدل سازی و شبیه سازی انجام شده تضمین شده است. ارزیابی نتایج حاکی از بازدهی بالای متیل دی اتانول آمین در زدایش دی اکسید کربن با درصد زدایش 98% است. همچنین دریافته شد افزایش یک سری از پارامترهای عملیاتی تخلخل، طول مدول غشایی و تعداد الیاف توخالی به دلیل افزایش ضریب نفوذ، زمان ماند و نرخ انتقال جرم تاثیر مثبتی بر راندمان جداسازی دارد در حالی که افزایش ضریب پیچش غشا و سرعت جریان گاز باعث افزایش مقاومت در برابر انتقال جرم میشود و در نتیجه باعث کاهش میزان بازدهی زدایش می شود.
Downloads
References
]1[ A. T. Nakhjiri, A. Heydarinasab, O. Bakhtiari, and T. Mohammadi, "Experimental investigation
and mathematical modeling of CO2 sequestration from CO2/CH4 gaseous mixture using MEA and
TEA aqueous absorbents through polypropylene hollow fiber membrane contactor," Journal of
Membrane Science, vol. 565, pp. 1-13, 2018.
]2[ Z. U. Rehman et al., "Enhanced Carbon Dioxide Separation using Aqueous Amine Blends and
Nanofluids in PVDF Hollow Fiber Membrane Contactor," Chemical Engineering Research and
Design, 2025.
]3[ S. Shirazian, A. Taghvaie Nakhjiri, A. Heydarinasab, and M. Ghadiri, "Theoretical investigations
on the effect of absorbent type on carbon dioxide capture in hollow-fiber membrane contactors,"
Plos one, vol. 15, no. 7, p. e0236367, 2020.
]4[ A. Shiravi, M. S. Maleh, A. Raisi, and M. Sillanpää, "Hollow fiber membrane contactor for CO2
capture: A review of recent progress on membrane materials, operational challenges, scale-up and
economics," Carbon Capture Science & Technology, vol. 10, p. 100160, 2024.
]5[ R. Ramezani, L. Di Felice, and F. Gallucci, "A review on hollow fiber membrane contactors for
carbon capture: Recent advances and future challenges," Processes, vol. 10, no. 10, p. 2103, 2022 .
]6[ A. Marjani, A. T. Nakhjiri, M. Pishnamazi, and S. Shirazian, "Evaluation of potassium glycinate,
potassium lysinate, potassium sarcosinate and potassium threonate solutions in CO2 capture using
membranes," Arabian Journal of Chemistry, vol. 14, no. 3, p. 102979, 2021.
]7[ A. Gabelman and S.T. Hwang, "Hollow fiber membrane contactors," Journal of membrane science,
vol .159 , no. 1-2, pp. 61-106, 1999.
]8[ M. Vaezi, H. Sanaeepur, A. Ebadi Amooghin, and A. Taghvaie Nakhjiri, "Modeling of CO2
absorption in a membrane contactor containing 3-diethylaminopropylamine (DEAPA) solvent,"
International Journal of Greenhouse Gas Control, vol. 127, p. 103938, 2023.
]9[ A. Imtiaz et al., "A critical review in recent progress of hollow fiber membrane contactors for
efficient CO2 separations," Chemosphere, vol. 325, p. 13830, 2023.
]10[ A. T. Nakhjiri, A. Heydarinasab, O. Bakhtiari, and T. Mohammadi, "The effect of membrane pores
wettability on CO2 removal from CO2/CH4 gaseous mixture using NaOH, MEA and TEA liquid
absorbents in hollow fiber membrane contactor," Chinese Journal of Chemical Engineering, vol.
26, no. 9, pp. 1845-1861, 2018.
]11[ Y. Cao, A. Khan, A. T. Nakhjiri, A. B. Albadarin, T. A. Kurniawan, and M. Rezakazemi, "Recent
advancements in molecular separation of gases using microporous membrane systems: A
comprehensive review on the applied liquid absorbents," Journal of Molecular Liquids, vol. 337,
p. 116439.
]12[ N. Ghasem, "Modeling and simulation of the impact of feed gas perturbation on CO2 removal in a
polymeric hollow fiber membrane," Polymers, vol. 14, no. 18, p. 3783, 2022.
]13[ S. Kiani, A. Taghizade, R. Ramezani, R. Di Felice, G. F. Molelekwa, and S. Mazinani,
"Enhancement of CO2 removal by promoted MDEA solution in a hollow fiber membrane contactor:
A numerical and experimental study," Carbon Capture Science & Technology, vol. 2, p. 100028,
2022.
]14[ H.Y. Zhang, R. Wang, D. T. Liang, and J. H. Tay, "Modeling and experimental study of CO2
absorption in a hollow fiber membrane contactor," Journal of membrane science, vol. 279, no. 1-
2, pp. 301-310, 2006.
]15[ M. Rezakazemi, Z. Niazi, M. Mirfendereski, S. Shirazian, T. Mohammadi, and A. Pak, "CFD
simulation of natural gas sweetening in a gas–liquid hollow-fiber membrane contactor," Chemical
Engineering Journal, vol. 168, no. 3, pp. 1217-1226, 2011.
]16[ S. Eslami, S. M. Mousavi, S. Danesh, and H. Banazadeh, "Modeling and simulation of CO2 removal
from power plant flue gas by PG solution in a hollow fiber membrane contactor," Advances in
Engineering Software, vol. 42, no. 8, pp. 612-620, 2011.
]17[ H.L. Lee, S.W. Wang, Y.C. Yang, and W.J. Chang, "Effect of porosity on the mechanical properties
of a nanoporous graphene membrane using the atomic-scale finite element method," Acta
Mechanica, vol. 228, pp. 2623-2629, 2017.
]18[ Y. Yin, Q. Liu, H. Gao, M. Xiao, T. Sema, and Z. Liang, "3D models guide the design of hollow
fiber membrane contactors with complex internal structures for CO2 capture," AIChE Journal, vol.
70, no. 4, p. e18336, 2024.
]19[ J. Happel, "Viscous flow relative to arrays of cylinders," AIChE Journal, vol. 5, no. 2, pp. 174-177,
1959.
]20[ A. T. Nakhjiri and A. Heydarinasab, "Computational simulation and theoretical modeling of CO2
separation using EDA, PZEA and PS absorbents inside the hollow fiber membrane contactor,"
Journal of Industrial and Engineering Chemistry, vol. 78, pp. 106-115, 2019.
]21[ A. T. Nakhjiri and A. Heydarinasab, "CFD analysis of CO2 sequestration applying different
absorbents inside the microporous PVDF hollow fiber membrane contactor," Periodica
polytechnica chemical engineering, vol. 64, no. 1, pp. 135-145, 2020.
]22[ M. Pishnamazi, H. O. Alsaab, and M. Al-Bahrani, "CFD comparison of novel [emim][DCA] and
[emim][MS] ionic liquids for the separation of CO2 greenhouse gas in the membrane contactor,"
Scientific Reports, vol. 15, no. 1, p. 9150, 2025.
]23[ Q. Sohaib, A. Muhammad, M. Younas, and M. Rezakazemi, "Modeling pre-combustion CO2
capture with tubular membrane contactor using ionic liquids at elevated temperatures," Separation
and Purification Technology, vol. 241, p. 116677, 2020.
]24[ R. Faiz 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, vol. 342,
no. 1, pp. 269-278, 2009.
]25[ G. Versteeg and W. P. M. van Swaaij, "On the kinetics between CO2 and alkanolamines both in
aqueous and non-aqueous solutions—I. Primary and secondary amines," Chemical engineering
science, vol. 43, no. 3, pp. 573-585, 1988.
]26[ A. Portugal, F. Magalhães, and A. Mendes, "Carbon dioxide absorption kinetics in potassium
threonate," Chemical Engineering Science, vol. 63, no. 13, pp. 3493-3503, 2008.
]27[ A. T. Nakhjiri, A. Heydarinasab, O. Bakhtiari, and T. Mohammadi, "Modeling and simulation of
CO2 separation from CO2/CH4 gaseous mixture using potassium glycinate, potassium argininate
and sodium hydroxide liquid absorbents in the hollow fiber membrane contactor," Journal of
Environmental Chemical Engineering, vol. 6, no. 1, pp. 1500-1511, 2018.
