Mathematical modeling of silica alcogel drying with supercritical carbon dioxide

Süper kritik karbondioksit (sc-CO2) ortamında alkojel kurutma işlemi silika aerojel üretiminin önemli ve en çok zaman alan aşamasıdır. Jel kurutma işleminin anlaşılması üretim sürecinin optimizasyonu hakkında önemli bilgi sağlar. Sonuç olarak, ıslak jellerin kurutma süreleri kısaltılarak, üretim maliyeti düşük aerojel üretimi gerçekleştirilir. Bu çalışmada aerojellerin kurutma sürelerini tahmin edebilmek amacıyla matematiksel modeller geliştirilmiştir. Farklı iki kurutma türü olan kesikli kurutma ve sürekli kurutma için model denklemler çıkarılmıştır. İlk bölümde, küre, silindir ve dikdörtgen şeklindeki ıslak jellerin tüm gözeneklerini dolduran çözücünün kesikli sistemde süper kritik fazdaki karbon dioksite ekstraksiyonu çalışılmıştır. Tek yönlü ve zamana bağlı kütle transfer model denklemleri, difüzyon katsayısının sistem kompozisyonuna bağlı korelasyonu kullanılarak, Fick Kanununa dayandırılarak geliştirilmiştir. Model denklemlerde, jel içinde bulunan değişik boyutlardaki tüm gözeneklerin paralel olarak sıralandığı paralel gözenek modeli kullanılmıştır. İkinci bölümde, 1.19 cm çapında 15.92 cm uzunluğunda üretilmiş olan silindir şeklindeki ıslak jelin sürekli süper kritik karbon dioksit ortamında ekstraksiyonu için model denklemler geliştirilmiştir. Islak jelin porları içindeki kütle transferi için geçerli olan model denklemler oluşturulmuştur. Ayrıca, CO2? in yüksek basınçlı kurutma kabı içerisindeki sürekli akışı içerisindeki etanol derişimini zamana ve pozisyona bağlı inceleyen model denklem elde edilmiştir. Islak jelin kurumasında geçerli olan birleştirilmiş kısmi diferansiyel denklemler nümerik yöntemler kullanılarak çözülmüştür. Bu çalışmada, model çalışmalarına ilaveten süper kritik jel ektraksiyonunun deneysel çalışması da yapılmıştır. Laboratuarda hazırlanmış olan silindir şeklindeki ıslak jelin (1.19 cm çapında x 15.92 cm uzunluğunda) kurutulması sırasında toplanan etanol miktarı model sonucu ile karşılaştırılmıştır. Gözenekler içerisindeki etanolun sürekli süper kritik CO2 ortamında akış ile uzaklaştırılması için öngörülen bu modelin deneysel çalışma ile elde edilen sonuçlar ile iyi bir şekilde uygunluk sağladığı bulunmuştur. Buna ilaveten bu çalışmada, deneysel veriler kullanılarak, kütle transfer katsayı değeri tayin edilmiştir ve bu değer literatürde var olan, süper kritik kurutma için elde edilmiş korelâsyonlar ile karşılaştırılmıştır. Tahmin edilen ve hesaplanan değerlerin birbirine yakın olduğu bulunmuştur. Karbon dioksit ile süper kritik kurutma için geçerli olan model denklemler sonlu farklar yöntemi ile kullanılarak MATLAB programı yardımı ile çözülmüştür. Sıcaklık ve kütle transfer katsayısı gibi işlem parametreleri ile gözenekli, dolambaçlı yapısı ve jel kalınlığı gibi jel özelliklerinin kesikli kurutma sisteminde kurutma süresine etkisi simülasyonlar kullanılarak araştırılmıştır. Kütle transfer katsayısı ve jel boyutlarının ekstraksiyon süresini en çok etkileyen parametreler olduğu sonucuna varılmıştır. Artan kütle transfer katsayısı ile süper kritik CO2 `in difüzyonu için geçen sürenin önemli oranda azaldığı ve artan jel kalınlığı ile bu sürenin arttığı sonucuna varılmıştır.