مطالعه آزمایشگاهی تأثیر انتقال جرم بر هیدرودینامیک قطرات منفرد برای سامانه شیمیایی نرمال‌بوتانول-اسیدسوکسینیک-آب

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، واحد امیدیه، دانشگاه آزاد اسلامی، امیدیه، ایران

2 گروه مهندسی شیمی، واحد ماهشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ماهشهر، ایران

چکیده
موضوع تحقیق: جریان دو مایع امتزاج‌ناپذیر در چند دهه گذشته توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این جریان در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مانند صنایع شیمیایی، پتروشیمی، غذایی و فرآوری کاربرد دارد و به طور گسترده در انتقال روغن با ویسکوزیته بالا از طریق خطوط لوله که توسط آب روانکاری می‌شود، دیده می‌شود. با این­حال، یکی از روش‌های ساده مطالعه ضریب انتقال جرم و هیدرودینامیک جریان در سامانه شیمیایی مایع-مایع، روش تک‌قطره در حال صعود در فاز دوم ساکن است. اگرچه شاید این مبحث در مورد قطرات با شکل تقریباً کروی و فاقد نوسان و آشفتگی‌های سطحی کاملاً شناخته شده باشد، اما هنوز در مورد قطرات بیضوی و دارای نوسان در فازهای با کشش بین‌سطحی پایین پیچیدگی دارد.

روش تحقیق: در این مطالعه آزمایشگاهی، تأثیر انتقال جرم بر سرعت و شکل قطره در سامانه شیمیایی نرمال‌بوتانول-اسید‌سوکسینیک-آب بررسی شده است. متغیرهای مورد مطالعه، شدت جریان فاز پراکنده، اندازه قطره و غلظت اسید‌سوکسینیک در فاز پراکنده است. آزمایش‌ها به روش تک‌قطره در ستون استخراج انجام شد. محدوده قطر قطرات نرمال‌بوتانول در محدوده شدت جریان مورد آزمایش، بین 3/1 تا 0/3 میلی­متر و محدوده رینولدز کمتر از 300 بود.

نتایج اصلی: نتایج نشان داد که سرعت حد قطره در حضور و غیاب انتقال جرم متفاوت است. انتقال جرم باعث تأخیر در رسیدن به سرعت حد می‌شود، همچنین رژیم قطره را با وجود تغییرشکل آن حفظ می‌کند. کشش بین‌سطحی کم این سامانه شیمیایی باعث تشکیل قطرات بیضی شکل شد و نسبت ابعادی تا 4/0 کاهش یافت، اما در حضور انتقال جرم، قطرات پهنای بیشتری پیدا کرده، به سمت کروی‌تر شدن متمایل شدند و نسبت ابعادی در بیشترین غلظت و در بزرگ‌ترین افشانک (Nozzle) استفاده‌شده حدود %50 نسبت به غیاب انتقال جرم افزایش یافت. سرعت حد و تغییرشکل قطرات در قالب اعداد بی‌بُعد رینولدز (Re)، اوتوس (Eo)، و وبر (We) مطالعه شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental study of the mass transfer effect on the hydrodynamics of single drops in the chemical system of normal butanol/succinic acid/water

نویسندگان English

mohammad fatemimanesh 1
mostafa narimani 1
Zoha Azizi 2
Ali Borsalani 1
1 Department of Chemical Engineering, Omidiyeh Branch, Islamic Azad University, Omidiyeh, Iran
2 Department of Chemical Engineering, Mahshahr Branch, Islamic Azad University, Mahshahr, Iran//Institute of Mining, Oil and Energy, Mahs.C., Islamic Azad University, Mahshahr, Iran
چکیده English

Research Subject: The flow of two immiscible liquids has garnered significant interest over the past few decades due to its relevance in various industrial applications, including chemical, petrochemical, food, and other process industries. It is particularly encountered in the water-lubricated transport of high-viscosity oil through pipelines. One of the simplest methods for studying the mass transfer coefficient in a liquid–liquid system involves a single droplet rising through a second, stationary phase. While this approach is well understood for nearly spherical droplets without surface turbulence or oscillations, it remains complex for ellipsoidal droplets exhibiting oscillatory motion, particularly in systems characterized by low interfacial tension.

Research Approach: This study investigates the effect of mass transfer on the velocity and shape of droplets in a chemical system composed of normal butanol, succinic acid, and water. Several variables are explored, including the dispersed phase flow rate, droplet size, and succinic acid concentration within the dispersed phase. Experiments were carried out using the single-drop method in an extraction column, employing normal butanol droplets with diameters ranging from 0.3 mm to 1.3 mm and Reynolds numbers below 300.

Main Results: The results reveal that mass transfer significantly influences droplet velocity, delaying the attainment of terminal velocity. Despite deformation, the droplet regime remains unchanged. The low interfacial tension in the system leads to the formation of oval-shaped droplets, with aspect ratios decreasing to as low as 0.4. However, under mass transfer conditions, droplets become wider and more spherical, resulting in a 50% increase in aspect ratio at the highest succinic acid concentration and with the largest nozzle size, compared to conditions without mass transfer. Terminal velocity and droplet deformation were further analyzed using dimensionless numbers, including the Reynolds number, Eötvös number, and Weber number.

کلیدواژه‌ها English

Instantaneous velocity
Terminal velocity
mass transfer
Continuous phase
Drop deformation
[1] Seader J.D., Henley Ernest J., Wiley J., Separation process principles, New York (1998) 848
[2] Wegener M., Paul N., Kraume M. Fluid dynamics and mass transfer at single droplets in liquid/liquid systems, International Journal of Heat and Mass Transfer, 71, 475-495, 2014.
[3] Saien J., Daliri S., Improving performance of liquid–liquid extraction with temperature for mass transfer resistance in both phases, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers 45, 808-814, 2014.
[4] Yu B., Zou M., Feng Y., Permeability of fractal porous media by Monte Carlo simulations, Journal of Heat and Mass Transfer, 48, 2787-2794, 2005.
[5] Wegener M. , Kraume M., Paschedag A.R., Terminal and transient drop rise velocity of single toluene droplets in water, AIChE J, 56, 2–10, 2010.
[6] Wegener M., Paul N., Kraume M., Fluid dynamics and mass transfer at single droplets in liquid/liquid Systems, International Journal of Heat and Mass Transfer, 71, 475–495, 2014.
[7] Liu L., Tang H., Quan S., Shapes and terminal velocities of a drop rising in stagnant liquids, Computers & Fluids, 81, 17–25, 2013.
[8] Zhixian H., Changshen Y., Ling L., Xiaowu Z., Ting Q., Measurement and correlation of the mass transfer coefficient for a liquid –liquid system with high density difference, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 33, 897-906, 2016.
[9] Liu L., Tang H., Quan S., Jie Y., Weiyang F., Li H.Z., Effect of packing on drop swarms extraction of high viscosity solvents, Hydrometallurgy, 78, 30–33, 2005.
[10] Azizi Z., Rezaeimanesh M., Packing effect on mass transfer and hydrodynamics of rising toluene drops in stagnant, Chemical Engineering Research and Design, 115, 44–52, 2016.
[11] Panahinia F., Ghannadi M. Safdari J., Amani P., Mallah M., Experimental investigation concerning the effect of mass transfer direction on mean drop size and holdup in a horizontal pulsed plate extraction column, RSC Adv, 7, 8908-8921, 2017.
[12] Engberg R., Wegener M., Kenig Y., The impact of maragoni convection on fluid dynamics and mass transfer at deformable single rising droplets –A numerical study, Chemical Engineering Science, 116, 208-222, 2014.
[13] Laccourreye O., Maisonneuve H., French science medical journals confronted by development in medical writing and the transformation of medical press, European Annals of Otorhinolaryngology, Head and Neck Diseases , 136, 475-480, 2019.
[14] Dhindsa A., Sobti A.,Wanchoo R.K., Pal Toor A., Study on mass transfer using nanofluid drops in liquid-liquid extraction column, International Communications in Heat and Mass Transfer, 136, 104-106, 2022.
[15] Saien J., Asrami M., Comparative studies on the performance of ionic liquid and conventional solvent drops in extraction of phenol from water, Chemical Engineering Research and Design, 166, 259-266, 2021.
[16] Sprakel L., Holtkamp A.F.M., Bassa R., Schuur B., Swing process for solvent regeneration in liquid- liquid extraction of succinic acid, Chemical Engineering and Processing, 143, 107600, 2019.
[17] Amiri E., Aghababai beni A., Pournuroz Nodeh Z., Design and manufacture of emulsion liquid membrane based on various amine extract ants for separation and extraction of succinic acid from fermentation, Chinese Journal of Chemical Engineering, 61, 173-179, 2023.
[18] Zurob E., D. Rivas, Olea F., Plaza A., Merlet G., Araya-López C., Romero J., Quijada-Maldonado E., Cabezas R., Succinic acid recovery from a glycerol based solution using phosphonium ionic liquid supported by COSMO-RS, Fluid Phase Equilibria, 559, 113-471, 2022.
[19] Pratiwi A. , Yokouom T. Matsumoto M., Kondo K., Extraction of succinic acid by aqueous two –phase system using alcohol/ salts and ionic liquid /salts , Separation and Purification Technology, 155, 127-132, 2015.
[20] Bäumler K., Wegener M., Paschedag A.R., Bänsch E., Drop rise velocities and fluid dynamic behavior in standard test systems for liquid/liquid extraction experimental and numerical investigations, Chemical Engineering Science, 66, 426-439, 2011.
[21] Wegener M, Kraume M, Paschedag A, Terminal and transient drop rise velocity of single toluene droplets in water, Alche J, 56, 2-10, 2010.