Geri Dön

Experimental and theoretical investigation of supercritical drying of gels

Jellerin süperkritik yöntemle kurutulmasının teorik ve deneysel olarak incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 600336
  2. Yazar: İBRAHİM ŞAHİN
  3. Danışmanlar: PROF. CAN ERKEY
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 151

Özet

Aerojel, jelin sıvı bileşeninin yerine hava koyularak jelden elde edilen hafif bir katı maddedir. Aerojeller düşük yoğunluğa, yüksek poroziteye, geniş yüzey alanına ve açık nano-boyutlu gözenek yapısına sahiptir. Gözeneklerin çöküp jelin büzüşmesine yol açan kapiler streslere neden olduğu için, solventten arındırma işlemi sırasında buhar-sıvı arayüzü oluşumunun engellenmesi gerekir. Dolayısıyla, ıslak jeli solventten arındırmak için oda koşullarında kurutma yerine yaygın olarak süperkritik kurutma kullanılır. Enerji tasarrufu için cam pencerelerin yerine şeffaf silika aerojellerin kullanımını inceleyen kapsamlı araştırmalar nedeniyle, günümüzde süperkritik kurutmaya dair bilgimiz silika bazlı monolitik aerojellerle kısıtlıdır. Yakın tarihte, küçük parçacık formundaki organik ve hibrit aerojellerin aroma enkapsülasyonu, kontrollü ilaç salımı ve nem giderme gibi uygulamalarda kullanımı konusu giderek daha fazla ilgi çekmektedir. Dolayısıyla bu materyallerin süperkritik kurutma kinetiğinin iyi anlaşılması, söz konusu kurutma ünitelerinin tasarımı ve optimizasyonu için zorunludur. Bu çalışmada önce, dolgulu yatakta polisakkarit jel parçacıklarının süperkritik kurutma kinetiğini sistematik olarak incelenmiştir. Belirli bir boyuta sahip sferik kalsiyum aljinat alkojel parçacıkları damlama yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Kurutma kabının çıkışındaki solvent (etanol) konsantrasyonu, 20 cc ölçekli laboratuvar kabı kullanılarak zamanın fonksiyonu olarak ölçülmüştür. Sıcaklık, basınç, CO2 akış hızı ve jel boyutunun kurutma profilleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. (i) jel parçacıklarının gözeneklerinin içindeki solventin difüzyonuna, (ii) solventin jel parçacıklarının yüzeyinden akış halindeki sıvıya dış kütle transferine ve (iii) akış halindeki sıvıdaki solventin konvekyion ve aksiyal yayılımına dayanarak tam prediktif, fiziksel olarak gerçekçi bir matematiksel model geliştirilmiştir. Dolgulu yatakta alkojel parçacıklarının süperkritik kurutması için kütle transfer katsayısı korelasyonu, literatürde ilk kez kinetik verilerin geliştirilen modele yerleştirilmesiyle geliştirilmiştir. Geliştirilen korelasyon kullanılarak deneysel verilerle model sonuçları arasında iyi bir uyum elde edilmiştir. Bu çalışmanın ikinci kısmında, divalent katyon (Ca2+, Mn2+, Ni2+, Co2+, Cu2+ ve Zn2+) tuzlarından oluşan bir çözeltiye Na-aljinat çözeltisi damlatılarak çapları 2.8 mm ile 5.0 mm arasında, poroziteleri de 0.899 ile 0.976 arasında değişen bir dizi sferik iyonotropik aljinat jel parçacığı hazırlanmıştır. Hazırlanan jel parçacıkları, piknometri ve azot fizisorpsiyonu ile karakterize edilmiştir. Bu iyonotropik aljinat jel parçacıklarının dolgulu yataktaki süperkritik kurutma kinetiği 308 – 338 K ve 100 – 120 bar koşullarında incelenmiştir. Deneysel kurutma profillerini tahmin etmek için, geliştirilen model kullanılmıştır. Model, kurutma profillerini tahmin ederken sadece jel parçacıklarının porozite ve çapındaki değişiklikleri dikkate almıştır. Başlangıçta Ca-aljinat jel parçacıklarının süperkritik kuruması için geliştirilen konvektif kütle transfer katsayısı korelasyonu, M-aljinat jel parçacıkları için uygun bulunmuştur. Daha sonra bu model; model parametrelerine, çalışma parametrelerine ve malzeme ve kap özelliklerine dayalı simülasyonların yardımıyla kurutma davranışını incelemek için kullanılmıştır. Parçacığın zamana ve pozisyona bağlı konsantrasyon profillerine dayalı analiz, çalışma koşullarına bağlı olarak üç farklı kurutma modu olduğunu göstermiştir: i) daha ziyade konveksiyon tarafından kontrol edilen, ii) daha ziyade dış kütle transferi ve konveksiyonun kombinasyonu tarafından kontrol edilen ve iii) daha ziyade parçacığın içindeki difüzyon tarafından kontrol edilen. Konveksiyonla dış kütle transferini karşılaştıran birimsiz bir sayıyla minimum teorik kurutma süresiyle normalize edilen kurutma süresi arasında doğrusal bir ilişki bulunmuştur. Bu ilişkinin farklı çalışma koşullarında, jel boyutlarında ve kap boyutlarında, kap boyunun parçacık çapına oranı sabit tutularak yapılan simülasyonlardan elde edilen geniş veri seti için geçerli olduğu görülmüştür. Son olarak farklı boyutlarda kaplar kullanılarak ölçek büyütme deneyleri yapılmıştır. Deneysel veriler, model tahminleriyle karşılaştırılmıştır. Genel olarak ikisinin arasında iyi bir uyum bulunmuştur.

Özet (Çeviri)

An aerogel is a lightweight solid derived from a gel in which the liquid component of the gel has been replaced with air. Aerogels have low densities, high porosities, large surface areas, and open nano-sized pore structures. Formation of vapor-liquid interface should be prevented during solvent removal since it leads to capillary stresses which collapse the pores and shrink the gel. Thus, supercritical drying is commonly used instead of ambient drying to remove the solvent from the wet-gel. The current understanding of supercritical drying is limited to the silica based monolithic aerogels due to substantial research efforts exhausted to replace glass windows with transparent silica aerogels for energy saving purposes. Recently, organic and hybrid aerogels in the form of small particles are attracting increasing attention for use in applications such as flavor encapsulation, controlled drug release and humidity removal. Therefore, a fundamental understanding of the kinetics of supercritical drying of such materials is crucial for the design and optimization of such units. In this study, we first systematically investigated the kinetics of supercritical drying of polysaccharide gel particles in a packed bed. Spherical calcium alginate alcogel particles with a certain size were synthesized by dripping method. Concentration of the solvent, ethanol, in the effluent stream at the exit of the drying vessel was measured as a function of time using a 20 cc laboratory scale tubular vessel. The effects of temperature, pressure, CO2 flow rate, and gel size on drying profiles were studied. A fully predictive physically realistic mathematical model based on (i) the diffusion of solvent inside the pores of gel particles, (ii) external mass transfer of the solvent from the surface of gel particles into the flowing fluid stream, and (iii) convection and axial dispersion of the solvent in the flowing fluid stream was developed. A correlation for mass transfer coefficients for supercritical drying of alcogel particles in a packed bed was developed first time in the literature by fitting kinetic data to the developed model. A good agreement between the experimental data and model results was achieved using the developed correlation. In the second part of this study, a series of spherical ionotropic alginate gel particles with different diameters ranging from 2.8 mm to 5.0 mm and porosities ranging from 0.899 to 0.976 were prepared by dripping a Na-alginate solution into a solution of salts of divalent cations (Ca2+, Mn2+, Ni2+, Co2+, Cu2+ and Zn2+). Prepared gel particles were characterized by pycnometry and nitrogen physisorption. Kinetics of supercritical drying of these ionotropic alginate gel particles in a packed bed was investigated at 308 – 338 K and 100 – 120 bar. The developed model was used to predict the experimental drying profiles. The model predicted drying profiles by taking into account only the changes in porosity and diameter of the gel particles. The convective mass transfer coefficient correlation that was originally developed for supercritical drying of Ca-alginate gel particles was found to be suitable for M-alginate gel particles. The model was then used to investigate the drying behavior with the help of simulations based on model parameters, operational parameters, and material and vessel properties. Analysis based on time resolved spatial concentration profiles inside the particle indicated that three different modes of drying exist depending on operating conditions: i) controlled more by convection, ii) controlled more by the combination of external mass transfer; and convection iii) controlled more by diffusion inside the particle. A linear relation was found between a formalized dimensionless number, which compares the convection and external mass transfer, and drying time normalized with minimum theoretical drying time. This relation was found to be valid for a large data set resulting from simulations at various operating conditions, gel sizes, and vessel dimensions as long as the ratio of vessel length to particle diameter was constant. Last, scale up experiments were performed using vessels with different dimensions. The experimental data were compared with the model predictions. In general, a good agreement between the two was present.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    397275

    Investigation of aerogel based systems for drug delivery

    Nanoyapılı aerojellerin ilaç taşıyıcı sistemi olarak incelenmesi

    ZEYNEP ÜLKER DEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAN ERKEY

  2. Tez No

    473023

    Theoretical and experimental investigation of supercritical extraction of triglycerides from microalgae chlorella vulgaris for biodiesel production

    Mikroalg chlorella vulgaris'ten biyodizel üretimi için süperkritik karbondioksit ile yağ ekstraksiyonunun teorik ve deneysel olarak incelenmesi

    SALİM ŞİMŞEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    BiyoteknolojiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAN ERKEY

  3. Tez No

    703447

    Preparation of Pt/Al2O3 and PtPd/Al2O3 diesel oxidation catalysts by supercritical deposition

    Pt/Al2O3 ve PtPd/Al2O3 dizel oksidasyon katalizörlerinin superkritik depozisyon yöntemi ile hazırlanması

    HANDE GÜNEŞ AKINCITÜRK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAN ERKEY

  4. Tez No

    887227

    Dolusavak plaka boşlukları boyunca akım ve türbülans karakteristiği

    Flow and turbulent characteristic over spillways slab gaps

    MUHAMMED FATİH ÖZÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞEVKET ÇOKGÖR

  5. Tez No

    793551

    CO2 ile çalışan güneş enerjisi destekli güç üretim sisteminin performansının incelenmesi ve optimizasyonu

    Investigation and optimization of the performance of a solar assisted power generation system working with CO2

    SERPİL ÇELİK TOKER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiIsparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖNDER KIZILKAN

Geri Dön