مدلسازی عملکرد غشای نانوساختار گرافنی جهت جداسازی هیدروژن به کمک روش دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله: مقاله شیمی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

2 گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، استان آذربایجان غربی، ایران

چکیده

با توجه به مصرف بالای انرژی در جهان و آلودگی ناشی از سوخت‌های فسیلی، هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک مورد توجه بسیاری از دانشمندان قرار گرفته است. لذا در این راستا، فرایند خالص‌سازی گاز هیدروژن نیز می‌تواند بسیار مهم باشد. از میان روش‌های متفاوت جداسازی هیدروژن، روش‌های غشایی به عنوان یکی از روش‌های مهم در خالص‌سازی هیدروژن مورد توجه قرار گرفته‌اند. در میان غشاهای جداساز هیدروژن، غشاهای غیرآلی نیز به دلیل قابلیت تحمل دماهای بالا مورد توجه بیشتری قرار گرفته‌اند. در این میان، در سال 2014 برای اولین بار غشای گرافنی برای جداسازی گاز هیدروژن مطرح گردید که انتخاب-پذیری بسیار بالایی نسبت به سایر غشاهای غیرآلی از خود نشان داد. لذا در این تحقیق عملکرد غشای گرافنی بر پایه روش دینامیک سیالات محاسباتی ‌ مدلسازی شده و تاثیر پارامترهای مهم عملیاتی از قبیل فشار، دما، سطح غشا و انتخاب‌پذیری غشا بر عملکرد غشا مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج بدست آمده از این مدلسازی غشای گرافنی (با خطای 7%) بهترین عملکرد را در دمای 293 کلوین داشته و با افزایش دمای جداسازی به 373 کلوین میزان انتخاب‌پذیری در این غشا به ترتیب از 2800 به 200 برای H2/CO2 کاهش پیدا می‌کند‌ و میزان عبوردهی برای هیدروژن و دی اکسید کربن به ترتیب mole/m2.Pa.S وmole/m2.Pa.S می‌باشد. افزایش فشار و افزایش سطح غشا نیز تاثیر منفی بر روی میزان انتخاب‌پذیری H2/CO2 داشته و که براساس نتایج باعث کاهش انتخاب‌پذیری هیدروژن نسبت به دی‌اکسیدکربن می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Performance modeling of nano structure graphene membrane for hydrogen separation using CFD methods

نویسندگان [English]

  • Rahman Zeynali 1
  • kamran ghasemzadeh 2
  • Alireza Behrooz sarand 1
1 chemical engineering department, Urmia university of technology, Urmia, Iran
2 chemical engineering department, Urmia university of technology, Urmia, West Azerbaijan, Iran
چکیده [English]

Due to high energy consumption and pollution rate caused by fossil fuels, in the world, hydrogen has been considered by many researchers as a clean fuel. Therefore, process of hydrogen separation can also be very important in this regard. Among various methods of hydrogen separation, membrane processes have been proposed as one of the promising methods for hydrogen purification. One the other hand, among several hydrogen selective membranes, inorganic membranes have also been considered more applicable owing to their high temperature tolerance. Meanwhile, in 2014, graphene membrane was first introduced for hydrogen separation, which showed a high selectivity over other inorganic membranes. Therefore, in this research, the performance of graphene membrane is evaluated using a CFD based model and the impact of important operating parameters such as pressure, temperature, membrane surface area and membrane selectivity on its performance have been investigated. According to the model results, the graphene membrane (with a 7% error) has the best performance at 293 K, while by increasing temperature up 373 K, H2 / CO2 selectivity is decreased from 2800 to 200 and permeances of hydrogen and carbon dioxide are indicated 2*10-7 mole /m2.Pa.s and 1.5*10-10 mole / m2.Pa.s, respectively. On the other hand, increasing the pressure and surface area values also show negative effects on hydrogen selectivity of graphene membranes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Graphene nano-composite membrane
  • Hydrogen separation
  • modeling
  • Computational Fluid Dynamic