دانشگاه آزاد اسلامی

واحد تهران جنوب

دانشکده تحصیلات تکمیلی

“M.Sc” پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

مهندسی شیمی

عنوان:

بررسی انتقال جرم درون قطرات و ارائه یک مدل جدید

چکیده

استخراج مایع – مایع اخیراً به عنوان یکی از مهمترین روشهای جداسازی در صنایع مورد استفاده فراوانی دارد.

یکی از مهمترین مباحث در استخراج مایع – مایع انتقال جرم از فاز پراکنده می باشد مدلهای مختلفی برای بیان ضریب انتقال جرم به قطره و یا از قطره ارائه شده اند و بهترین مدلی که تاکنون نتایج خوبی در مقایسه با داده های تجربی داشته است مدل هندلوس – بارون می باشد. ولی این مدل نیز دارای فرضیات دور از واقعیتی است و محققین دیگری مدلهای جدیدی ارائه کرده اند.

در این پروژه مدل ارائه شده توسط Henschke & Pfennig مورد بررسی قرار گرفته است و تصحیحی بر این مدل جهت کابرد آن در برج RDC ارائه شده است.

نتایج نشان می دهد اختلاف تعداد مراحل تئوری و تجربی در مدل Pfennig & Henschke زیاد است که دال بر دقت کم آن است. بر خلاف مدلPfennig & Henschke مدل اصلاح شده آن پیش بینی بسیار خوبی برای تعداد مراحل انتقال دارد. مقایسه پیش بینی مدل Pfennig & Henschke و اصلاح شده آن بیانگر اینست که مدل Pfennig & Henschke ضرائب انتقال جرم داخل قطره را کمتر از مقادیر واقعی آنها پیش بینی می کند.

مقدمه

بحران انرژی موجود در جهان، منجر به تحقیقات وسیعی در مورد استفاده از روشهای جداسازی قابل رقابت با فرآیند تقطیر (که باعث مصرف مقدار زیادی انرژی می گردد) شده است. بدین لحاظ استخراج مایع – مایع، اکنون به عنوان یک فرآیند جداسازی مهم در آمده است، که موارد استفاده از آن در صنایع پتروشیمی و هسته ای و حتی ساخت آنتی بیوتیک ها گسترش یافته است.

استخراج مایع – مایع یکی ازعملیات واحد صنعتی مهم است که برای آن انواع تجهیزات طراحی شده اند مانند: همزننده ته نشین کننده ها (Mixer – settlers،) ستون های آکنده(packed column)، ستون های همزده (agitated column)، ستون های پاشنده (spray column)، ستونهای سینی دار (perforated tray column) و غیره. در کلیه این تجهیزات انتقال جرم از طریق پراکندن یک فاز مایع در دیگری انجام می گیرد که مایع اول «فاز پراکنده یا فاز قطره» و مایع دوم «فاز پیوسته» نامیده می شود.

عوامل اصلی که طراحی چنین تجهیزاتی را تحت تأثیر قرار می دهند مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته و با رشد استفاده از این تجهیزات، نیاز به روشهای طراحی واقعی تر و دقیق تر، احساس می شود. روشهای تجربی طراحی که در سالیان گذشته مورد استفاده قرار می گرفتند، بتدریج توسط روشهای علمی جایگزین شدند که در آن تخمین ستونهای انتقال جرم و ظرفیت تجهیزات از معادلات بنیادی و اطلاعات کاربردی موجود درمراجع انجام می پذیرد، زیرا بدست آوردن داده های تجربی در پایلوت پلنت ها (pilot plants) پرهزینه و استفاده از آنها در مرحله بزرگنمایی (scale up) نامطمئن است.

شدت انتقال در هر فرآیند انتقالی به سه عامل بستگی دارد: سطح تماس، نیروی محرکه و ضریب انتقال. گاهی تعیین این عوامل به سهولت انجام می پذیرد، نظیر انتقال حرارت، ولی در محاسبه شدت انتقال جرم روابط ساده ای جهت تعیین این عوامل وجود ندارد، زیرا این شدت نه تنها به نفوذ بلکه به روابط هیدرودینامیکی مربوط است. تعیین ضرایب کلی انتقال جرم جهت طراحی تجهیزات استخراج نیاز به اطلاعاتی در مورد ضرایب انتقال جرم فازهای پراکنده و پیوسته دارد. در چند دهه اخیر، در این زمینه تحقیقات تجربی و تئوری بسیاری صورت پذیرفته است. ولی پیش بینی ضرایب انتقال جرم قطرات در دستگاههای استخراج هنوز با عدم اطمینان مواجه است، دلیل این نیز وجود ضمائم داخلی دستگاه نظیر بفل ها (baffles)، آکنه ها یا سیستم همزن است. این ضمائم موجب به هم پیوستن و یا شکستن قطرات شده و یا ایجاد حرکت چرخشی و نامنظم داخل سیستم می کند. حتی در غیاب چنین عوامل پیچیده ای، در حال حاضر فقط می توان حدود تقریبی بالا و پایین ضرائب انتقال جرم را پیش بینی نمود که اختلاف این دو مقدار با یکدیگر حتی ممکن است تا حدود 10 برابر باشد.

به منظور پرهیز از مشکلات برهم کنش قطرات، در بسیاری از مطالعات بنیادی انتقال جرم، سعی شده است که شکل ساده هیدرودینامیکی را به کار برده و با استفاده از تجهیزات آزمایشگاهی متغیرهای اصلی کنترل کننده را مشخص نمایند و به همین علت از سیستم های با قطرات منفرد استفاده می شود.

به نظر می رسد که موضوع انتقال جرم در مورد قطرات با شکل تقریباً کروی و فاقد نوسان و آشفتگی های سطحی کاملاً درک شده باشد ولی بطور کلی فرآیند انتقال جرم در مورد یک قطره در حال حرکت به عنو ان پدیده ای پیچیده شناخته شده و علت آن وجود عواملی  نظیر جدایی لایه مرزی، تشکیل و جدایی چرخانه ها و انتقال جرم واقع شده در آنها، چرخش داخلی قطرات از حالت چرخش کاملاً توسعه یافته تا حالت بدون چرخش می باشد. علاوه بر همه این عوامل، مشکلات ناشی از اثر ات سطحی نظیر نوسانات میکروماکرو در سطح قطره و ناپایداری آنها به علت حرکت جابجایی و نیز حضور عوامل فعال سطحی (surface active agents) که باعث تغییرات عمده ای در انتقال جرم قطره می شوند را می توان افزود.

در فرآیند انتقال جرم یک قطره، حداقل سه مرحله مهم وجود دارند که عبارتند از:

1- مرحله تشکیل قطره در فاز پیوسته.

2- مرحله صعود یا سقوط آزاد قطره از میان فاز پیوسته.

3- مرحله پیوند قطرات در انتهای مرحله صعود یا سقوط آزاد.

هر یک از مراحل فوق در تجهیزات استخراج خاصی حائز اهمیت می باشند به عنوان مثال مرحله دوم در ستونهای پاشنده از سایر مراحل مهمتر است و در یک ستون سینی دار مراحل اول و سوم نسبت به مرحله دوم از اهمیت بیشتری برخوردارند. به منظور ساده سازی مسئله، عموما تلاش می کنند که انتقال جرم صعود یا سقوط آزاد را از اثرات مرزی دو مرحله دیگر تفکیک نمایند.

از آنجا که سطح انتقال جرم و ضریب آن در فرایند انتقال جرم به شدت وابسته به اندازه قطره می باشد، در این تحقیق ضمن مطالعه مراحل مختلف انتقال جرم درون قطره و بررسی چند مدل جدید، پیش بینی مدلهای Handlos&Baron و Pfennig&Henschke بررسی خواهد شد و با توجه به نتایج کسب شده در ارتباط با غیر واقعی بودن مدل Handlos & Baron و کم بودن دقت مدل Pfennig & Henschke، مدل جدیدی بر اساس تصحیح مدل Pfennig & Henschke ارائه شده و نتایج آن با نتایج تجربی مقایسه خواهند شد.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.