شبیه‌سازی راکتور فتوکاتالیستی به روش حجم محدود و جهت‌های مجزا و مطالعات پارامتریک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 عضو هیات علمی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

3 عضو هیات علمی دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه تهران

چکیده

استفاده از روش‌های اکسیداسیون پیشرفته برای تصفیه آب به تازگی بسیار مورد توجه بوده ‌است. تصفیه فتوکاتالیستی آب با استفاده از نانوکاتالیست تیتانیوم دی‌اکسید و نور فرابنفش منجر به تجزیه آلودگی‌های آب می‌شود. با وجود پژوهش‌های تجربی بسیار زیاد، طراحی و مدل‌سازی راکتور‌های فتوکاتالیستی همچنان یک چالش است. یکی از راه‌حل‌های موثر برای دستیابی به این مهم استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی است. از عوامل موثر بر بازده راکتور فتوکاتالیستی، نحوه عملکرد کاتالیست است که توسط نور فرابنفش فعال می‌شود. در صورت عدم پخش مناسب نور فرابنفش درون راکتور، بخشی از راکتور به دلیل فعال نشدن کاتالیست کارایی نداشته و بازده کاهش می‌یابد. در این کار راکتور شبیه‌سازی شده با داده‌های آزمایشگاهی اعتبارسنجی و سپس اثر غلظت کاتالیست، توان لامپ و انعکاس دیواره بررسی گردید. طبق نتایج با افزایش انعکاس دیواره به میزان ۹۸ درصد در غلظت 4/0 گرم بر لیتر کاتالیست، نرخ واکنش به میزان 50 درصد افزایش می‌یابد. با افزایش توان لامپ به دو برابر، میزان نرخ واکنش در حالت دیواره با انعکاس 98 درصد در مقایسه با دیواره با انعکاس صفر، به میزان 2/12 درصد، افزایش می‌یابد که در مقایسه با افزایش 11 درصد در حالت معمولی توان لامپ، به معنای افزایش 2/1 درصدی است.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Simulation of a Photocatalytic Reactor Using Finite Volume and Discrete Ordinate Method: A Parametric Study

نویسندگان [English]

  • Majede Nourizade 1
  • Mohammad Rahmani 2
  • Aliyar Javadi 3
1 MSc Chemical Eng Dep Chemical Engineering Department Amirkabir Uni of Technology
2 Faculty member, Chemical Engineering Department, Amirkabir University of Technology
3 faculty member Chemical Engineering Department Tehran University
چکیده [English]

Advanced oxidation processes for wastewater treatment have received recently a great deal of attention. Photocatalytic oxidation processes decompose water pollutants using nano-structured photocatalyst materials, titanium dioxide, and ultraviolet irradiation. Although there is extensive experimental research in this field, designing a photoreactor is still a challenge. An effectual approach to this issue is the application of computational fluid dynamics. The performance of the catalyst, which is activated by ultraviolet irradiation, is one of the important factors affecting photoreactor efficiency. In the case of poor ultraviolet radiation distribution inside the reactor, the performance decreases due to catalyst inactivity. In this study, a computational fluid dynamics model for the simulation of radiation distribution inside a photoreactor was developed and evaluated against experimental data. Simulations were then carried on different catalyst loading, lamp power and wall reflectivity. The result showed that at a low concentration of catalyst (0.4 g/l), the reaction rate increases by up to 50% by increasing the wall reflectivity to 98%. At the lamp power of 2p < /em> and p < /em>, the reaction rate increases by up to 12.2 % and 11% respectively, meaning only a 1% increase in reaction rate while increasing lamp power.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Photocatalytic Reactor
  • Wastewater treatment
  • Simulation
  • Computational fluid dynamics
  • Catalyst

مراجع

[1] P.C. Vandevivere, R. Bianchi, W. Verstraete, Treatment and reuse of wastewater from the textile wet‐processing industry: Review of emerging technologies, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 72(4) (1998) 289-302.
[2] A. Payan, M. Fattahi, B. Roozbehani, Synthesis, characterization and evaluations of TiO2 nanostructures prepared from different titania precursors for photocatalytic degradation of 4-chlorophenol in aqueous solution, Journal of Environmental Health Science and Engineering, 16(1) (2018) 41-54.
[3] R. Shahbazi, A. Payan, M. Fattahi, Preparation, evaluations and operating conditions optimization of nano TiO2 over graphene based materials as the photocatalyst for degradation of phenol, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 364 (2018) 564-576.
[4] M.N. Chong, B. Jin, C.W. Chow, C. Saint, Recent developments in photocatalytic water treatment technology: a review, Water research, 44(10) (2010) 2997-3027.
[5] S.A. Mirzaee, N. Jaafarzadeh, H.T. Gomes, S. Jorfi, M. Ahmadi, Magnetic titanium/carbon nanotube nanocomposite catalyst for oxidative degradation of Bisphenol A from high saline polycarbonate plant effluent using catalytic wet peroxide oxidation, Chemical Engineering Journal, 370 (2019) 372-386.
[6] S.R. Hirshorn, L.D. Voss, L.K. Bromley, NASA Systems Engineering Handbook,  (2017).
[7] Y. Boyjoo, M. Ang, V. Pareek, CFD simulation of a pilot scale slurry photocatalytic reactor and design of multiple-lamp reactors, Chemical Engineering Science, 111 (2014) 266-277.
[8] M. Martín-Sómer, C. Pablos, R. van Grieken, J. Marugán, Influence of light distribution on the performance of photocatalytic reactors: LED vs mercury lamps, Applied Catalysis B: Environmental, 215 (2017) 1-7.
[9] A. Turolla, D. Santoro, J.R. De Bruyn, F. Crapulli, M. Antonelli, Nanoparticle scattering characterization and mechanistic modelling of UV–TiO2 photocatalytic reactors using computational fluid dynamics, Water research, 88 (2016) 117-126.
[10] G. Asadollahfardi, M. Noori, M. Asadi, M. Taherioun, The comparison of discrete ordinate and Monte Carlo methods in solving of the radiation transfer equations in a heterogenous reactor, Journal of Water Supply: Research and Technology—AQUA, 67(1) (2017) 109-118.
[11] G.L. Puma, A. Brucato, Dimensionless analysis of slurry photocatalytic reactors using two-flux and six-flux radiation absorption–scattering models, Catalysis Today, 122(1-2) (2007) 78-90.
[12] R.L. Romero, O.M. Alfano, A.E. Cassano, Radiation field in an annular, slurry photocatalytic reactor. 2. Model and experiments, Industrial & engineering chemistry research, 42(12) (2003) 2479-2488.
[13] R. Brandi, O. Alfano, A. Cassano, Evaluation of radiation absorption in slurry photocatalytic reactors. 1. Assessment of methods in use and new proposal, Environmental science & technology, 34(12) (2000) 2623-2630.
[14] C. Casado, J. Marugán, R. Timmers, M. Muñoz, R. van Grieken, Comprehensive multiphysics modeling of photocatalytic processes by computational fluid dynamics based on intrinsic kinetic parameters determined in a differential photoreactor, Chemical Engineering Journal, 310 (2017) 368-380.
[15] J. Chen, B. Deng, C.N. Kim, Computational fluid dynamics (CFD) modeling of UV disinfection in a closed-conduit reactor, Chemical Engineering Science, 66(21) (2011) 4983-4990.
[16] A. Fluent, 14.5, theory guide; ansys, Inc., Canonsburg, PA,  (2012).
[17] G. Li Puma, J.N. Khor, A. Brucato, Modeling of an annular photocatalytic reactor for water purification: oxidation of pesticides, Environmental science & technology, 38(13) (2004) 3737-3745.
[18] H.W. Oh, Applied computational fluid dynamics, BoD–Books on Demand, 2012.
[19] M. Bagheri, M. Mohseni, Computational fluid dynamics (CFD) modeling of VUV/UV photoreactors for water treatment, Chemical Engineering Journal, 256 (2014) 51-60.
[20] R.B. Bird, Transport phenomena, Applied Mechanics Reviews, 55(1) (2002) R1-R4.
[21] J. Delgado, Molecular diffusion coefficients of organic compounds in water at different temperatures, Journal of phase Equilibria and Diffusion, 28(5) (2007) 427-432.
[22] A.E. Cassano, O.M. Alfano, Reaction engineering of suspended solid heterogeneous photocatalytic reactors, Catalysis today, 58(2-3) (2000) 167-197.
[23] H. Photocatalysis, From Fundamentals to Green Applications, in, Springer, Berlin, 2016.
[24] Y. Boyjoo, M. Ang, V. Pareek, Some aspects of photocatalytic reactor modeling using computational fluid dynamics, Chemical Engineering Science, 101 (2013) 764-784.
[25] V. Pareek, S. Chong, M. Tadé, A.A. Adesina, Light intensity distribution in heterogenous photocatalytic reactors, Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering, 3(2) (2008) 171-201.
 
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 1 (Special Issue)
فروردین 1400
صفحه 573-588

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار