بررسی آزمایشگاهی و شبیه‌سازی فرآیند میکروفیلتراسیون جریان متقاطع امولسیون نفت ‌در ‌آب با غشای سلولز استات

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 آزمایشگاه تحقیقاتی مهندسی فرآیند به کمک کامپیوتر، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

2 مرکز تحقیقات و فناوری فرآیندهای غشایی، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

10.22078/pr.2019.3456.2588

چکیده

فاضلاب‌های هیدروکربنی و مشکلات زیست‌محیطی آن سبب شده است که نیاز به رسیدگی فوری داشته باشد. از سوی دیگر خالص‌سازی آب جهت استفاده‌های ضروری انگیزه‌ای برای محققان جهت جداسازی این فاضلاب‌ها توسط فرآیند میکروفیلتراسیون در سال‌های اخیر موردتوجه قرارگرفته است. در این مطالعه، جداسازی امولسیون نفت در آب در فرآیند میکروفیلتراسیون توسط غشای سلولز استات به‌صورت آزمایشگاهی و شبیه‌سازی بررسی‌شده است. در بخش آزمایشگاهی، میزان شار تراویده برای آب خالص و امولسیون نفت در ‌آب در فشارهای عملیاتی یکسان و متفاوت به دست آورده شده است. در بخش شبیه‌سازی توسط نرم‌افزار کامسول ورژن 3/5، شار تراویده در حالت‌پایا به کمک قانون دارسی پیش‌بینی‌شده و با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه شده است. مقایسه نتایج نشان داد که مقادیر پیش‌بینی‌شده برای شارش آب هنگام استفاده از خوراک حاوی قطرات نفت در حالت‌پایا، در فشارهای عملیاتی 1 و 2 بار به میزان 15% و 35%، اما برای آب خالص 5% خطا به‌دست‌آمده است. این خطا برای امولسیون نفت در آب می‌تواند ناشی از در نظر نگرفتن ساختار غشا، صرف‌نظر کردن مقاومت‌های گرفتگی داخلی غشا و لایه قطبیدگی غلظتی در معادله دارسی باشد. با حل هم‌زمان معادلات مخلوط، موازنه جرم و قانون دارسی در دامنه محاسباتی، اثر پارامترهای مختلف ازجمله سرعت خوراک ورودی و فشار متوسط بر ضخامت لایه قطبیدگی غلظتی و سرعت‌های خروجی نیز آنالیز شده است. با افزایش سرعت خوراک از 1/0 به 1/1 متر بر ثانیه در شبیه‌سازی، میزان ضخامت لایه قطبیدگی غلظتی 52% کاهش، با افزایش فشار متوسط از 1 به 2 بار، سرعت خروجی جریان تراویده تقریباً 190% افزایش می‌یابد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental and Simulation Study of Cross-Flow Microfiltration Process of Oil-in-Water Emulsion Using Cellulose Acetate Membrane

نویسندگان [English]

  • Amir Hossein Behroozi 1
  • Norollah Kasiri 1
  • Mohammad Sheikhi 1
  • Toraj Mohammadi 2
1 Computer Aided Process Engineering (CAPE) Laboratory, School of Chemical, Oil and Gas Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Research and Technology Center for Membrane Processes, School of Chemical, Oil and Gas Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hydrocarbon sewage and the related environmental problems have an caused urgent need for speedy consideration. At the same time, water purification for essential uses has been an incentive for researchers to separate sewages by microfiltration processes over the recent years. In this study, separation of oil-in-water emulsion by cellulose acetate membrane in microfiltration processes has been investigated experimentally and numerically. In the laboratory section, the permeate flux for pure water and oil-in-water emulsion has been obtained at the same and at different trans-membrane pressures. In the simulation section, the steady-state permeate flux has been predicted by the law of Darcy in the COMSOLv5.3 environment and compared against experimental data. The comparison results have shown that the permeate flux predicted values for feed containing oil droplets under steady-state conditions has had errors of 15% and 35% at operating pressures of 1 and 2 bar, but the error  for pure water has been equal to 5%. the oil-in-water emulsion may be due to not having considered membrane structure, neglecting pore blocking and concentration polarization layer resistances in the Darcy’s equation. By solving mixture equations, mass transfer and  the law of Darcy in the computational domain simultaneously, the effects of various parameters such as cross-flow velocity and trans-membrane pressure on concentration polarization layer thickness and outlet velocities have been analyzed. Finally, when feed cross-flow velocity has increases from 0.1 to 1.1 m/s, the concentration polarization thickness has decreased by 52%, and when trans-membrane pressure has increased from 1 to 2 bars, the maximum velocity of permeate flow increased by almost 190%.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Oil-in-water emulsion
  • Microfiltration
  • Simulation
  • Cellulose acetate membrane
  • Concentration Polarization

[1]. Fouladitajar A., Ashtiani F. Z., Okhovat A. and Dabir B., “Membrane fouling in microfiltration of oil-in-water emulsions; a comparison between constant pressure blocking laws and genetic programming (GP) model,” Desalination, Vol. 329, pp. 41-49, 2013. ##

[2]. Monfared M. A., Kasiri N. and Mohammadi T., “Microscopic modeling of critical pressure of permeation in oily waste water treatment via membrane filtration,” RSC Advances, Vol. 6, No. 75, pp. 71744-71756, 2016. ##

[3]. Hilal N., Ogunbiyi O. O., Miles N. J. and Nigmatullin R., “Methods employed for control of fouling in MF and UF membranes: a comprehensive review,” Separation Science and Technology, Vol. 40, No. 10, pp. 1957-2005, 2005. ##

[4]. Keir G. and Jegatheesan V., “A review of computational fluid dynamics applications in pressure-driven membrane filtration,” Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, Vol. 13, No. 2, pp. 183-201, 2014. ##

[5]. Mulder J., “Basic principles of membrane technology,” Springer Science & Business Media, 2012. ##

[6]. Fouladitajar A., Ashtiani F. Z., Rezaei H., Haghmoradi A. and Kargari A., “Gas sparging to enhance permeate flux and reduce fouling resistances in cross flow microfiltration,” Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 20, No. 2, pp. 624-632, 2014.

[7]. Tarleton E. S., “Progress in filtration and separation,” Academic Press, 2014. ##

[8]. Abbasi M., Sebzari M. R., Salahi A., Abbasi S. and Mohammadi T., “Flux decline and membrane fouling in cross-flow microfiltration of oil-in-water emulsions,” Desalination and Water Treatment, Vol. 28, No. 1-3, pp. 1-7, 2011. ##

[9]. Das B., Chakrabarty B. and Barkakati P., “Separation of oil from oily wastewater using low cost ceramic membrane,” Korean Journal of Chemical Engineering, Vol. 34, No. 10, pp. 2559-2569, 2017. ##

[10]. Koltuniewicz A. B., Field R. and Arnot T., “Cross-flow and dead-end microfiltration of oily-water emulsion. Part I: Experimental study and analysis of flux decline,” Journal of Membrane Science, Vol. 102, pp. 193-207, 1995. ##

[11]. Lim A. and Bai R., “Membrane fouling and cleaning in microfiltration of activated sludge wastewater,” Journal of Membrane Science, Vol. 216, No. 1-2, pp. 279-290, 2003. ##

[12]. Suresh K. and Pugazhenthi G., “Cross flow microfiltration of oil-water emulsions using clay based ceramic membrane support and TiO2 composite membrane,” Egyptian Journal of Petroleum, Vol. 26, No. 3, pp. 679-694, 2017. ##

[13]. Bai R. and Leow H., “Microfiltration of activated sludge wastewaterthe effect of system operation parameters,” Separation and Purification Technology, Vol. 29, No. 2, pp. 189-198, 2002. ##

[14]. Rezaei H., Ashtiani F. Z. and Fouladitajar A., “Effects of operating parameters on fouling mechanism and membrane flux in cross-flow microfiltration of whey,” Desalination, Vol. 274, No. 1-3, pp. 262-271, 2011. ##

[15]. Shokrkar H., Salahi A., Kasiri N. and Mohammadi T., “Prediction of permeation flux decline during MF of oily wastewater using genetic programming,” Chemical Engineering Research and Design, Vol. 90, No. 6, pp. 846-853, 2012. ##

[16]. Ochoa N., Masuelli M. and Marchese J., “Effect of hydrophilicity on fouling of an emulsified oil wastewater with PVDF/PMMA membranes,” Journal of Membrane Science, Vol. 226, No. 1-2, pp. 203-211, 2003. ##

[17]. Salahi A., Gheshlaghi A., Mohammadi T. and Madaeni S. S., “Experimental performance evaluation of polymeric membranes for treatment of an industrial oily wastewater,” Desalination, Vol. 262, No. 1-3, pp. 235-242, 2010. ##

[18]. Emani S., Uppaluri R. and Purkait M. K., “Microfiltration of oilwater emulsions using low cost ceramic membranes prepared with the uniaxial dry compaction method,” Ceramics International, Vol. 40, No. 1, pp. 1155-1164, 2014. ##

[19]. Gruber M., Johnson C., Tang C., Jensen M. H., Yde L. and Hélix-Nielsen C., “Computational fluid dynamics simulations of flow and concentration polarization in forward osmosis membrane systems,” Journal of Membrane science, Vol. 379, No. 1-2, pp. 488-495, 2011. ##

[20]. Ahmad A., Lau K., Bakar M. A. and Shukor S. A., “Integrated CFD simulation of concentration polarization in narrow membrane channel,” Computers & Chemical Engineering, Vol. 29, No. 10, pp. 2087-2095, 2005. ##

[21]. Pak A., Mohammadi T., Hosseinalipour S. and Allahdini V., “CFD modeling of porous membranes,” Desalination, Vol. 222, No. 1-3, pp. 482-488, 2008. ##

[22]. شیخی. م.، “بررسی آزمایشگاهی اثر میدان الکتریکی بر شار عبوری از غشای میکروفیلتراسیون در امولسیون آب و نفت,” پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه علم و صنعت ایران, 1395. ##