شبیه سازی و بررسی عملکرد پارامترهای مختلف سنسور مبتنی بر غشای سیلیکونی جهت تشخیص متان محلول در فرآیند تخمیر

نوع مقاله : مقاله شیمی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه آزاد تهران شمال

2 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه آزاد تهران شمال

3 استادیار/دانشگاه تهران

4 دانشیار، گروه بیوتکنولوژی و میکرووبیولوژی، پژوهشگاه صنعت نفت ایران

5 استاد، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

در حال حاضر برای اندازه گیری متان محلول در فرآیند تخمیر، از دستگاه کروماتوگرافی گازی و اسپکترومترجرمی استفاده می‌شود، اما برای استفاده از اسپکترومتری جرمی به صورت خارج از خط، نیاز به نمونه‌گیری و نگهداری محلول می‌باشد. به همین دلیل، حسگرهای گازی مبتنی بر غشای سیلیکونی جهت تشخیص متان محلول طراحی و ساخته شده است. نمونه‌ای از این دسته حسگرها، حسگر شامل یک لوله سیلیکونی با جریان ورودی گاز هلیوم می باشد. شبیه سازی این حسگر توسط نرم افزار کامسول٢/٥ در حالت سه بعدی انجام شد. دبی هلیوم ورودی در سه مقدار ۴۰، ۵۰ و ۶۰ میلی لیتر بر دقیقه اعمال شد. همچنین لوله سیلیکونی به طول های ۵ ، ۱۰ و ۱۵ سانتی متر و با سه قطر ٠٥/٠، ١٥/٠ و ٢٥/٠ سانتی متر مورد بررسی قرار گرفت. زمان پاسخ به دست آمده از شبیه سازی حسگر در اختلاف ٢٠٪ نسبت به نتایج آزمایشگاهی می باشد. علاوه بر این تنش برشی، اثر سرعت گاز ورودی، فشار جریان و غلظت سیال در این پژوهش مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Simulation and evaluation of the performance of various sensor-sensing silicones to detect methane-soluble in fermentation process

نویسندگان [English]

  • Saeed Rahimi 1
  • soheil Rezazadeh Mofradnia 2
  • Fatemeh Yazdian 3
  • Behnam Rasekh 4
  • Seyedabas Shojasadati 5
1 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Islamic Azad University North Tehran Branch, Tehran, Iran
2 Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering, Islamic Azad University North Tehran Branch, Tehran, Iran
3 Assistant professor/University of Tehran
4 . Microbiology and Biotechnology Research Group, Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran
5 Department of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

At present, spectrometric chromatography are used to methane in the fermentation process, but the use of off-line mass spectrometry requires the sampling and maintenance of the solution. Silicon membrane-based gas sensors are designed and used to detect methane based on this principle. The simulation of this sensor was carried out using COMSOL Multhiphysics (CM) 5.2 A software in 3D. Input gas helium was applied at three values of 40, 50 and 60 ml/min. Also, silicon tubes with lengths of 5, 10 and 15 cm and in three diameters of 0.05, 0.05, and 0.25 cm were investigated. The shortest response time from the sensor simulation is 10% compared to the results of the experimental at 1.6 minutes. The shear stresses, the effect of inlet gas velocity, flow pressure and fluid concentration in this study were compared. All result showed that the silicon membrane-based have been best absorbent for gas specially Methane.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Comsol
  • Simulation
  • Methane solution
  • Fermention
مراجع
[1] S. Vigneshvar, C. C. Sudhakumari, B. Senthilkumaran, and H. Prakash, “Recent advances in biosensor technology for potential applications–an overview,” Frontiers in bioengineering and biotechnology, vol. 42016, p. 11.
[2] Z. Awang, “Gas sensors: A review,” Sens. Transducers, vol. 1682014, pp. 61–75.
[3] L. Xu et al., “Behaviour of a catalytic combustion methane gas sensor working on pulse mode,” in Sensors, 2010 IEEE, 2010, 2010, pp. 391–394, 2010, pp. 391–394.
[4] K. Moorthi, M. Toda, T. Ono, T. Hokama, M. Yamazaki, and M. M. Hossain, “Piezoresistive Nanomechanical Humidity Sensors Using Internal Stress In-Plane of Si-Polymer Composite Membranes,” IEEE Sensors Letters, vol. 3, no. 2, 2019, pp. 1–4.
[5] E. Sbidian et al., “Factors associated with the choice of the first biologic in psoriasis: real-life analysis from the Psobioteq cohort,” Journal of the European Academy of Dermatology and Venereology, vol. 31, no. 12, 2017, pp. 2046–2054.
[6] M. Béland, “Sterilizable probe for extraction of volatile compounds in liquids and their quantitative determination,” Jun. 2004, p. . Google Patents, Jun. 2004, p. , 08-Jun-2004.
[7] T. Hübert, L. Boon-Brett, G. Black, and U. Banach, “Hydrogen sensors–a review,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 157, no. 2, 2011, pp. 329–352.
[8] W. Shin, M. Matsumiya, N. Izu, and N. Murayama, “Hydrogen-selective thermoelectric gas sensor,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 93, no. 1–3, 2003, pp. 304–308.
[9] S. M. Mousavi, S. A. Shojaosadati, J. Golestani, and F. Yazdian, “CFD simulation and optimization of effective parameters for biomass production in a horizontal tubular loop bioreactor,” Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, vol. 49, no. 12, 2010, pp. 1249–1258.
[10] J. He et al., “Piezoelectric-piezoresistive Coupling MEMS Sensors for Measurement of Electric Fields of Broad Bandwidth and Large Dynamic Range,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 1, no. 1, 2019, pp. 1–1.
[11] F. Yazdian, S. A. Alsadati, M. Nosrati, M. Abbas, and K. Khosravi, “On-Line Measurement of Dissolved Methane Concentration During Methane Fermentation in a Loop Bioreactor.,” Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering, vol. 28, no. 4, 2009, pp. 85–93.
[12] F. Yazdian, S. A. Shojaosadati, M. Nosrati, E. Vasheghani-Farahani, and M. R. Mehrnia, “Comparison of Different Loop Bioreactors Based on Hydrodynamic Characteristics, Mass Transfer, Energy Consumption and Biomass Production from Natural Gas,” Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), vol. 29, no. 4, 2010, pp. 37–56.
[13] C. M. Zhang and C. Y. Zhao, “Sensitive label-free and compact ultrasonic sensor based on double silicon-on-insulator slot micro-ring resonators,” Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 2018, p. .
[14] P. Gruber, M. P. C. Marques, N. Szita, and T. Mayr, “Integration and application of optical chemical sensors in microbioreactors,” Lab on a Chip, vol. 17, no. 16, 2017, pp. 2693–2712.
[15] A. S. Holmes, G. Hong, K. R. Pullen, and R. Buffard, “Axial-flow microturbine,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 142005, pp. 54–62.
[16] E. G. Richardson and E. Tyler, “The transverse velocity gradient near the mouths of pipes in which an alternating or continuous flow of air is established,” Proceedings of the Physical Society, vol. 42, no. 1, 1929, p. 1.
] 17[ زاهد محرمیاری و محمدعلی اشجاری اقدم. “شبیه سازی و بررسی تأثیر تغییرات هندسی در جریان توسعه یافته آشفته درون
لوله عمودی به روش دینامیک سیالات محاسباتی ) CFD (”. مجله نخبگان علوم و مهندسی، شماره 2 ، سال ، 139۶ صفحه
141 - 150 . .
[18] J. Wu, L. Graham, G. M. Short, and D. W. Harris, “Reducing friction of a viscous fluid flow in a conduit,” Sep. 2017, p. . Google Patents, Sep. 2017, p. , 12-Sep-2017.
33۶ شبیه سازی و بررسی عملکرد پارامترهای مختلف سنسور مبتنی بر غشای سیلیکونی جهت...
مجله مدل سازی در مهندسی سال هفدهم، شماره 58 ، پائیز 1398
[19] M. Everts and J. P. Meyer, “Relationship between pressure drop and heat transfer of developing and fully developed flow in smooth horizontal circular tubes in the laminar, transitional, quasi-turbulent and turbulent flow regimes,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 1172018, pp. 1231–1250.
] 20[ احمد احمدی. علی مجد و محمود نوروزی. “بررسی اثر سیال غیرنیوتنی در جریان غیرماندگار در سیستم لولهها.” مکانیک
سازه ها و شاره ها ,دوره 5، شماره 1، بهار 1394 ، صفحه 211 - 219.
[21] R. Giguère, L. Fradette, D. Mignon, and P. A. Tanguy, “Analysis of slurry flow regimes downstream of a pipe bend,” Chemical Engineering Research and Design, vol. 87, no. 7, 2009, pp. 943–950.
[22] M. J. and S. Gillies, R.G., Schaan, J., Sumner, R.J., McKibben and C.A, “Deposition velocities for Newtonian slurries in turbulent flow,” Chem. Eng, vol. 1, no. 88, 2015, pp. 704–705.
[23] Y. Huang, X. Fan, S. C. Chen, and N. Zhao, “Emerging Technologies of Flexible Pressure Sensors: Materials, Modeling, Devices, and Manufacturing,” Advanced Functional Materials, vol. 18085092019, pp. 1–24. 2019, pp. 1–24, 2019.
[24] J. G. Firth, A. Jones, and T. A. Jones, “The principles of the detection of flammable atmospheres by catalytic devices,” Combustion and Flame, vol. 20, no. 3, 1973, pp. 303–311.
[25] C. G. Gunderson, S. T. Barlow, and B. Zhang, “FIB-milled quartz nanopores in a sealed nanopipette Christopher,” Journal of Electroanalytical Chemistry, 2019, p. #pagerange#.
[26] N. Rezapour, B. Rasekh, S. R. Mofradnia, F. Yazdian, H. Rashedi, and Z. Tavakoli, “Molecular dynamics studies of polysaccharide carrier based on starch in dental cavities,” International Journal of Biological Macromolecules, vol. 1212018, pp. 616–624.
[27] S. R. Mofradnia, R. Ashouri, Z. Tavakoli, F. Shahmoradi, H. Rashedi, and F. Yazdian, “Effect of zero-valent iron/starch nanoparticle on nitrate removal using MD simulation,” International Journal of Biological Macromolecules, 2018, p. .
[28] S. R. Mofradnia, Z. Tavakoli, F. Yazdian, H. Rashedi, and B. Rasekh, “Fe/starch nanoparticle-Pseudomonas aeruginosa: Bio-physiochemical and MD studies,” International Journal of Biological Macromolecules, 2018, p. #pagerange#.
[29] C. A. de Sousa and O. J. Romero, “Influence of oil leakage in the pressure and flow rate behaviors in pipeline,” Latin American Journal of Energy Research, vol. 4, no. 1, 2017, pp. 17–29.
] 30[ سید حسین و حسین اشکان محصلی، "مطالعه انتقال حرارت از دیواره بستر حبابی گاز-جامد به ذرات جامد درون آن به کمک
دینامیک سیالات محاسباتی"، نشریه مدل سازی در مهندسی، دوره 14 ، شماره 4۶ ، پاییز 1395 ، صفحه 123 - 13۶ .
] 31[ محمدتقی رستمی و کیوان، "شایسته مدل سازی پلیمریزاسیون متیل متاکریلات در یک راکتور لولهای با استفاده از مدل توانی
برای تعیین توزیع سرعت"، مدل سازی در مهندسی، دوره 14 ، شماره 44 ، هار 1395 ، صفحه 117 - 127 .
] 32[ نکیسا یعنوبی، رامین مغربی وسیاوش سید نژاد، " سینتیک و پدیده های انتقال در جفت شدن اکسایشی متان: مدلسازی CFD در مقیاس دانه ای"، نشریه مدلسازی در مهندسی، دوره 12 ، شماره 39 ، زمستان 1393 ، صفحه 123 - 141 .