مدلسازي و شبيه سازي راكتور غشايي تراوش تبخيري طي فرآيند استري شدن لوولينيك اسيد با اتانول به منظور توليد اتيل لوولينات:آناليز ديناميك سيالات محاسباتي (CFD)

Modeling and Simulation of pervaporation membrane reactor during levulinic acid esterification process with ethanol to produce ethyl levulinate: computational fluid dynamic (CFD) analysis

در مطالعه‌ي حاضر، عملكرد راكتور غشائي تراوش تبخيري طي واكنش استريفيكاسيون لوولينيك اسيد با اتانول بر پايه روش ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) به منظور توليد اتيل لوولينات، مدلسازي و شبيه‌سازي شده است. گرم شدن كره زمين ناشي از اثر گلخانه اي امروزه به عنوان يك مسئله مهم زيست محيطي شناخته مي‌شود. از عوامل مهم اثر گلخانه‌اي توليد اكسيدهاي گوگرد، اكسيدهاي نيتروژن و دي اكسيد كربن مي باشد كه پس از احتراق سوخت توليد مي شوند. از اينرو يكي از راهكارها براي حل اين مشكل ، ماده افزودني بر پايه زيست توده مي باشد كه منجر مي شود سوخت در حين احتراق عملكرد بهتري را داشته باشد و از توليد گازهاي مذكور در جو جلوگيري مي كند. به همين منظور به عنوان يك راهكار حل مشكل مذكور در اين تحقيق، يك مدل دو بعدي متقارن همدما براي راكتور غشائي تراوش تبخيري (PVMR)ارائه شده است. در اين راستا پس از مدلسازي و شبيه سازي عملكرد راكتور بستر ثابت و مقايسه‌ي نتايج آن با داده‌هاي آزمايشگاهي، مشاهده گرديد تطابق خوبي (1 درصدخطا) بين نتايج تئوري و آزمايشگاهي حاصل شده است. به منظور درك بهتر از كارائي راكتور غشائي تراوش تبخيري در طي واكنش استريفيكاسيون، تاثير پارامترهاي مختلف عملياتي (دماي واكنش، دبي جريان خوراك، نسبت مولار خوراك و بارگذاري كاتاليست) بر روي مفاهيم درصد تبديل لوولينيك اسيد و درصد حذف آب بررسي شده‌اند. به عنوان يك نتيجه كلي در تمامي شرايط عملياتي، راكتور غشائي تراوش تبخيري نسبت به راكتور بستر ثابت معمولي(TR) عملكرد بهتري را نشان داده است.

In the present study, the performance of the pervaporation membrane reactor during the esterification reaction of levulinic acid with ethanol to produce ethyl levulinate was modeled based on computational fluid dynamics (CFD) method. Global warming due to the greenhouse effect is now recognized as an important environmental issue. Important factors in the greenhouse effect are the production of sulfur oxides, nitrogen oxides and carbon dioxide, which are produced after the combustion of fuel. Therefore, one of the solutions to solve this problem is a biomass-based additive that leads to better performance of the fuel during combustion and prevents the production of these gases in the atmosphere. Therefore, a symmetric two-dimensional model is provided for the pervaporation membrane reactor (PVMR). In this regard, after modeling and simulating the performance of a fixed bed reactor and comparing its results with laboratory data, it was observed that a good agreement (1% error) was obtained between the theoretical and laboratory results. In order to better understanding of the efficiency of the pervaporation membrane reactor during the esterification reaction, the effect of different operating parameters (reaction temperature, feed flow rate, feed molar ratio and catalyst loading) on the levulinic acid conversion and water removal percentages have been investigated. As a general result in all operating conditions, the pervaporation membrane reactor has performed better than a conventional fixed bed (TR) reactor.