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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

2 کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر

3 عضو هیات علمی دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه تهران

چکیده

استفاده از روش‌های اکسیداسیون پیشرفته برای تصفیه آب در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه بوده ‌است. تصفیه فتوکاتالیستی آب یک روش نوین بوده که 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 ابتدا راکتور شبیه‌سازی شده با استفاده از 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 که به دلیل میزان جذب پایین محیط واکنش است. در غلظت 6/0 گرم بر لیتر کاتالیست افزایش نرخ واکنش تنها 5 درصد است که به دلیل میزان جذب بالای محیط و ناچیز بودن میزان تابش رسیده به دیواره‌های راکتور است. 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 the photocatalytic reactor using finite volume and discrete ordinate method; a parametric study

نویسندگان [English]

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

Advanced oxidation processes (AOPs) for wastewater treatment have received a great deal of attention in recent years. Photocatalytic oxidation processes decompose water pollutants using nano-structured photocatalyst materials, titanium dioxide (TiO2) and ultraviolet irradiation. Although there is extensive experimental research in this field, designing a photoreactor for water treatment is still a challenge. An effectual approach to this issue is the application of computational fluid dynamics. Performance of the catalyst, which is activated by UV irradiation, is one of the important factors affecting photoreactor efficiency. In case of poor UV radiation distribution inside the reactor, the reactor 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 performed analysis showed that at low concentration of catalyst (0.4 g/L), the reaction rate increases up to 50% by increasing the wall reflectivity to 98%, this is due to small absorption coefficient of the medium. At high catalyst concentration (0.6 g/L), the increase in reaction rate is only 5% because the radiation amount that reaches the reactor walls is negligible. At the lamp power of 2P and P, the reaction rate increases up to 12.2 % and 11% respectively which means only 1% increase in reaction rate while increasing lamp power.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Photocatalytic degradation
  • computational fluid dynamics
  • Radiation distribution