بحران انرژی موجود در جهان، منجر به تحقیقات وسیعی در مورد استفاده از روش های جداسازی قابل رقابت با فرایند تقطیر (كه باعث مصرف مقدار زیادی انرژی می گردد) شده است. بدین لحاظ استخراج مایع – مایع، اكنون به عنوان یک فرایند جداسازی مهم در آمده است، كه موارد استفاده از آن در صنایع پتروشیمی و هسته ای و حتی ساخت آنتی بیوتیک ها گسترش یافته است.
استخراج مایع – مایع یكی ازعملیات واحد صنعتی مهم است كه برای آن انواع تجهیزات طراحی شده اند مانند: همزننده ته نشین كننده 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 كلیه این تجهیزات انتقال جرم از طریق پراكندن یک فاز مایع در دیگری انجام می گیرد كه مایع اول «فاز پراکنده یا فاز قطره» و مایع دوم «فاز پیوسته» نامیده می شود.
عوامل اصلی كه 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 روش های طراحی واقعی تر و دقیق تر، احساس می شود. روش های تجربی طراحی كه در سالیان گذشته مورد استفاده قرار می گرفتند، بتدریج توسط روش های علمی جایگزین شدند كه در آن تخمین ستونهای انتقال جرم و ظرفیت تجهیزات از معادلات بنیادی و اطلاعات كاربردی 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 فرایند انتقالی به سه عامل بستگی دارد: سطح تماس، نیروی محركه 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 بلكه به روابط هیدرودینامیكی مربوط است. تعیین ضرایب كلی انتقال جرم جهت طراحی تجهیزات استخراج نیاز به اطلاعاتی در مورد ضرایب انتقال جرم فازهای پراكنده 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 دستگاه های استخراج هنوز با عدم اطمینان مواجه است، دلیل این نیز وجود ضمائم داخلی دستگاه نظیر بفل ها (baffles)، آكنه ها یا سیستم همزن است. این ضمائم موجب به هم پیوستن و یا شكستن قطرات شده و یا ایجاد حركت چرخشی و نامنظم داخل سیستم می كند. حتی در غیاب چنین عوامل پیچیده ای، در حال حاضر فقط می توان حدود تقریبی بالا و پایین ضرایب انتقال جرم را پیش بینی نمود كه اختلاف این دو مقدار با یكدیگر حتی ممكن است تا حدود 10 برابر باشد.
به منظور پرهیز از مشكلات برهم كنش قطرات، در بسیاری از مطالعات بنیادی انتقال جرم، سعی شده است كه شكل ساده هیدرودینامیكی را به كار برده و با بهره گرفتن از تجهیزات آزمایشگاهی متغیرهای اصلی كنترل كننده را مشخص نمایند و به همین علت از سیستم های با قطرات منفرد استفاده می شود.
به نظر می رسد كه موضوع انتقال جرم در مورد قطرات با شكل تقریباً كروی و فاقد نوسان و آشفتگی های سطحی كاملاً درك شده باشد ولی بطور كلی فرایند انتقال جرم در مورد یک قطره در حال حركت به عنو ان پدیده ای پیچیده شناخته شده و علت آن وجود عواملی نظیر جدایی لایه مرزی، تشكیل و جدایی چرخانه ها و انتقال جرم واقع شده در آنها، چرخش داخلی قطرات از حالت چرخش كاملاً توسعه یافته تا حالت بدون چرخش می باشد. علاوه بر همه این عوامل، مشكلات ناشی از اثر ات سطحی نظیر نوسانات میكروماكرو در سطح قطره و ناپایداری آنها به علت حركت 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 فرایند انتقال جرم یک قطره، حداقل سه مرحله مهم وجود دارند كه عبارتند از:
1- مرحله تشكیل 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 كنند كه انتقال جرم صعود یا سقوط آزاد را از اثرات مرزی دو مرحله دیگر تفكیک نمایند.
از آنجا كه 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 كسب شده در ارتباط با غیر واقعی بودن مدل Handlos & Baron و كم بودن دقت مدل Pfennig & Henschke، مدل جدیدی بر اساس تصحیح مدل Pfennig & Henschke ارائه شده و نتایج آن با نتایج تجربی مقایسه خواهند شد.
:
امروزه به دلیل افزایش مصرف انرژی و ازدیاد قیمت روز افزون سوخت و فرآورده های نفتی، LPG به عنوان یکی از محصولات با ارزش نفت و گاز مورد توجه قرار گرفته است بسیاری از جریانات گازی در پالایشگاه ها و واحدهای بهره برداری حاوی مقادیر بالایی از LPG می باشند که بسیاری از آنها بدون استفاده سوزانده می شوند یکی از دلایل این امر نیاز به فرایند نسبتاً پیچیده به منظور LPG از جریان گازی، با روش های سنتی می باشد. با وجود تکنولوژی غشائی به عنوان یک عملیات جداسازی بسیاری کارآمد با حجم و ابعاد کم و قابلیت انعطاف بالا، می توان از هدر رفت مقادیر بالایی از LPG جلوگیری کرد و در واحدهایی که از روش های صنعتی استفاده می کنند راندمان جداسازی را بسیار بالا برد و میزان بازیافت را تا 99 % رساند. لذا شناخت و بررسی تکنولوژی جداسازی به منظور جداسازی LPG از جریانهای گازی می تواند یکی از زمینه های تحقیقاتی و عملی بسیار راه گشا به منظور بالا بردن ارزش افزوده در واحدهای نفت و گاز و جلوگیری از هدر رفت منابع طبیعی مورد توجه قرار گیرد. لذا در این گزارش سعی بر معرفی و بررسی مقدماتی این متد می باشد.
فصل اول: کلیات
1-1- هدف
با توجه به اهمیت و امتیازات فرایندهای جداسازی غشایی هدف از تحقیق حاضر این است که پس از معرفی و فرایندهای جداسازی توسط غشاء و شناخت کاربردها و امتیازات آن در صنعت، مکانیزم جداسازی گاز در در غشاها بررسی شود و به طور خاص رفتار غشاهای پلیمری در جداسازی گاز تشریح شود سپس غشاء مناسب جهت جداسازی LPG از جریانات گازی با توجه به پارامترهای موثر انتخاب گردد. پس از
شناسایی پارامترهای موثر و تعیین غشاء مناسب جهت جداسازی LPG در این گزارش، مبنایی برای مدلسازی و پیش بینی رفتار غشاء مورد نظر در جداسازی LPG تعیین خواهد شد. سپس ابتدا با بهره گرفتن از شبکه های عصبی رفتار سیسنم مدلسازی خواهد شد ودر ادامه یک مدل ریاضی مناسب جهت مدلسازی سیستم مورد بحث ارائه می گردد.
2-1- پیشینه تحقیق
جداسازی LPG توسط فرایند غشایی یک یاز روش های نوین جداسازی LPG در سطح جهان می باشد و تحقیقاتی توسط مراکز مختلف به منظور تعیین جنس غشاء و بررسی عملکرد آن در این زمینه در حال انجام است ولی در کشور ما جداسازی LPG از جریانات گازی کاملا جدید می باشد و تنها تا کنون مطالعاتی توسط تیم تحقیقاتی آقای پرفسور محمدی در این خصوص انجام پذیرفته است که این تحقیق تلاشی در ادامه کارهای تیم تحقیقاتی ایشان می باشد. و تمامی داده های آزمایشگاهی استفاده شده در این تحقیق به منظور مدلسازی، توسط تیم تحقیقاتی ایشان از Setup ساخته شده در مرکز تحقیقات جداسازی دانشگاه علم و صنعت ایران گرد آوری شده است.
3-1- روش کار و تحقیق
در این گزارش با بهره گرفتن از منابع اطلاعاتی از قبیل کتابهای موجود در پایگاه های داخلی و خارجی در زمینه فرایندهای غشایی انواع متدوال فرایندهای غشایی به طور مختصر معرفی و بررسی خواهد شد سپس مکانیزمهای جداسازی گاز و مدلهای تشریح کننده آن با بهره گرفتن از منابع اطلاعاتی به روز مانند مقالات در زمینه جداسازی غشایی که با آخرین تغییرات هماهنگ باشند مورد بحث قرار خواهد گرفت. سپس با توجه به پارامترهای موثر در جداسازی و خواص هر کدام از غشاهای مورد استفاده در این زمینه بهترین نوع غشاء به منظور جداسازی LPG معرفی خواهد شد.
در ادامه Setup آزمایشگاهی که در آزمایشگاه تحقیقاتی غشاء دانشگاه علم و صنعت ایران تحت نظارت و راهنمایی جناب آقای دکتر محمدی به منظور انجام آزمایشات بر روی غشاء مذکور ساخته شده است تشریح می گردد. با بهره گرفتن از داده های حاصل از این مدل آزمایشگاهی یک مدل ریاضی مناسب جهت پیش بینی و مدلسازی عملکرد این غشاء ارائه گردیده است که در این گزارش به طور کامل بررسی می گردد و با مدل های معمول گذشته مقایسه می شود. علاوه بر این با بهره گرفتن از شبکه های عصبی سیستم مذکور مدل شده است که نتایج آن به منظور مقایسه با مدل ریاضی ارائه می گردد.
:
پلی اورتان ها در ابتدا به وسیله گروه بایر در آلمان سنتز شده اند و اکنون نزدیک به 70 سال است که عمدتا به صورت الاستومرها و فوم ها شناخته شده اند. اولین پلی اورتان با نام پرلون یو در سال 1937 و از واکنش 1 و 6 – دی ایزوسیاناتوهگزان و 1 و 4- بوتان دیول به دست آمده است. محصولات پلی اورتان بعد از سال 1940 به بازار عرضه شده اند. تفاوت عمده پلی اورتان نسبت به سایر پلیمرهای الاستومری دانسیته پایین آن می باشد. پلاستیک های پلی اورتان امروزه در گروه مواد بسیار مهم قابل کاربرد در حوزه های مختلف مهندسی می باشد. در میان پلیمرهای پرکاربرد، این پلیمر رتبه پنجم را بعد از پلیمرهای پلی اولیفین ها، PVC، پلی استایرن و پلاستیک های دی انی دارد.
کاربرد بسیار بالای این پلیمر از این حقیقت ناشی می شود که خواص آن می تواند با انتخاب نوع مواد خام، کاتالیست و ترکیبات کمکی و روش های تولید مختلف و یا با بکارگیری روش های مختلف برای فرایند کردن بیشتر و یا شکل دادن نهایی آن، به طور گسترده اصلاح شود. محصول به دست آمده از ساختار میکروفازی مشخص آن که از قسمت زنجیری سخت و قسمت زنجیری ارتجاعی تشکیل شده است باعث قابلیت ارتجاعی بالای این پلیمر به همراه قدرت مکانیکی بالا و مقاومت سایشی قابل توجهی می شود. هیچ پلیمر دیگری را نمی توان یافت ک
ه همه این خصوصیات را یکجا داشته باشد. پلی اورتان ها می تواند هم به صورت پلاستومرهای سخت و هم الاستومرهای ارتجاعی با ساختار فشرده یا فومی شکل باشد. دو فاکتور بازدارنده در بکارگیری پلی اورتان وجود دارد: پایداری محدود آن در دمای بالاتر از 90 درجه سانتی گراد و قابلیت اشتعال آن.
پلی اورتان ها به فرم های پلاستیک های فومی شکل، الاستومرهای ساختاری و الاستومرهای پوششی و مواد شبه چرم قابل عرضه هستند. الاستومرهای پلی اورتان ارتجاعی به عنوان مواد اصلی در ساخت مبلمان و صنعت خودرو مورد استفاده قرار گرفته است. از طرف دیگر فرم های سخت این پلیمر می تواند به عنوان جزء سبک وزن با پایداری ساختاری زیاد و عایق فوق العاده دمایی و شنوایی به کار رود.
الاستومرهای ترموپلاستیکی پلی اورتان (PUT) نیز گونه ای هستند که مورد استفاده زیاد قرار می گیرند. با تغییر نحوه قرارگیری گروه های آلوفانی، این ترکیبات می توانند به صورت ترموپلاستیک های انتخابی درآیند.
تلاش های جدید در تولید پلی اورتان ها تولید یونومرهای زیست تخریب پذیر می باشد. این گروه به عنوان ذخیره کننده غذایی برای محلول های آبکی که نیازی به امولوسیون کننده ندارند به کار می روند. ترکیب امولوسیون های یونومرهای پلی اورتان و امولوسیون های دیگر پلیمرها نظیر پلی وینیل الکل ها یا پلی وینیل استات ها، محصول شبکه های پلیمری رسوخ پذیر را می دهد که به اختصار Semi-IPNs نامیده می شوند، که چسبندگی بسیار خوبی روی سطوح فلزی و سرامیکی خواهند داشت و همچنین مقاومت بهبود یافته در برابر آب خواهند داشت.
ترکیب منحصر به فرد خواص فیزیکی، پایداری هیدرولیتیکی همراه با جذب بسیار پایین پروتئین ها و چسبندگی عالی روی سطح، بعضی کاربردهای دارویی را برای این پلیمر فراهم می کند، به ویژه وقتی با سیالات بیولوژیکی نظیر خون و پلاسما سروکار داشته باشیم.
پلی اورتان ها عموما نمایش سودمندی از ترکیبات را دارند: کاربرد و فرایند کردن آسان، مقاومت عالی در برابر آب و شرایط اتمسفری، حلال های آلی، اسیدهای رقیق شده و قلیاها و مقاومت در برابر واکنشگرهای اکسیداسیون نوری در حالت پلیمر غیر آروماتیکی، باعث به کارگیری روزافزون آن شده است.
سودمندی های فوق پلی اورتان را جزء دسته پلاستیک های پلیمری آلی مدرن قرار می دهد و علاقمندی های قابل توجهی در مهندسی مواد ایجاد می کند.
سوخت های فسیلی منابع انرژی رو به زوالی هستند كه جامعه روبه توسعه انسانی را در آینده ای نه چندان دور دچار كمبود سوخت می سازد. با رشد سریع جمعیت و رسیدن آن به مرز 10 میلیار نفر تا 50 سال دیگر نیاز به منابع پایان پذیر سوخت افزایش خواهد یافت. از طرفی وسعت آلودگی ناشی از سوخت های فسیلی زندگی در كره خاكی را دچار مشكل ساخته است. در این ارتباط شاهد قوانین سخت زیست محیطی و تخصیص اعتبارهایی برای تحقیق در زمینه بهره برداری از انرژی های نو بوده ایم.
به هر ترتیب ضرورت انتخاب جایگزین مناسب، ارزان قیمت و تمیز برای سوخت های فسیلی آشكار است. از جمله انرژی الكتریكی تولید شده به وسیله پیل های سوختی است، كه به دلیل بازدهی بسیار بالا و عدم آلایندگی محیط زیست ونیز مصرف هیدروژن به عنوان سوخت، در حال حاضر راه حل مناسبی جهت عبور از تنگنای انرژی و آلودگی محیط زیست می باشد (گاز هیدروژن را می توان از منابع انرژی تجدید پذیر
و تجدید ناپذیر بدست آورد، امروزه اقتصادی ترین روش تولید هیدروژن استفاده از گاز طبیعی است).
پیل های سوختی بسیار كمتر از سوخت های فسیلی باعث آلودگی هوا می شوند، چون تنها خروجی آنها آب خالص است (در صورتی كه از متانول به عنوان سوخت استفاده شود، آلاینده های خروجی مقدار بسیار ناچیزی منوكسیدكربن و اكسیدهای نیتروژن هستند كه در حین تبدیل سوخت حاصل می شوند).
بازدهی پیل های سوختی حدود سه برابر موتورهای احتراق داخلی است (بازدهی پیل سوختی 40 تا 60 درصد است. در حالی كه بازدهی خودروهای دارای موتور احتراق داخلی، كمتر از 17 درصد می باشد). پیل های سوختی دارای قسمت یا قسمت های متحرك نیس ن تد . بنابراین به تعمیر یا تعویض قطعات احتیاج ندارند. صدای ناشی از كار پیل های سوختی بسیار كمتر از صدای موتور خودروهای احتراق داخلی است و احتمال انتقال پیل های سوختی از یک خودرو از كار افتاده به خودرو دیگر وجود دارد.
ابعاد استفاده از پیل های سوختی بسیار گسترده است. به عنوان مثال می توان از آنها در زیر دریایی ها، سفینه های فضایی، كشتی ها، هواپیماها و… استفاده كرد و یا آنها را در خودروها اعم از اتوبوس ها، كامیون ها، مینی بوس و سواری ها بكار برد. در مناطق دور افتاده كه امكان استفاده از شبكه برق سراسری وجود ندارد (روستاها) می توان از آنها به مثابه نیروگاه استفاده كرد. همچنین می توانند منبع تأمین نیروی برق برای مناطق حساسی نظیر بانك ها، مراكز معاملات سهام، بیمارستان ها و مراكز رایانه ای باشند.
1-1- تعریف پیل سوختی
پیل سوختی دستگاهی است الكتروشیمیایی كه انرژی شیمیایی حاصل از یک واكنش شیمیایی را به انرژی الكتریكی مفید تبدیل می كند. تبدیل انرژی در پیل سوختی تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الكتریكی است.
عملكرد پیل سوختی مانند باتری نیست كه انرژی را ذخیره كند، بلكه در پیل سوختی حالتی از انرژی به حالت دیگر تبدیل می شود. به طوری كه در این تبدیل مواد داخل پیل مصرف نمی شوند . همچنین چگالی انرژی باتری كمتر از پیل سوختی است و فرایند شارژ نمودن باتری بسیار پیچیده تر از پر كزدن تانك سوخت پیل سوختی می باشد. در باتری ها بعد از چندین بار شارژ شدن توان تبدیلات الكتروشیمیایی كاهش می یابد، حال آنكه در پیل های سوختی چنین محدودیتی وجود ندارد، به عنوان مثال توده پیل های سوختی كار كرده در یک خودرو قابل انتقال به خودرو جدید می باشد.
صنایع پتروشیمی به دلیل تولید مواد باارزش افزوده بالا و تهیه مواد اولیه صنایع دیگر مورد توجه اکثر کشورها قرار گرفته است. در این صنایع از نفت و گاز طبیعی محصولات باارزشی همچون اولفین ها مانند پروپیلن، اتیلن و نیز وینیل استات، اکسید اتیلن و هزاران ماده ارزشمند دیگر تولید می شود که هرکدام به نوبه خود ماده اولیه برای سایر قسمت ها و واحدهای صنعتی پایین دستی می باشند.
به لحاظ اینکه مواد اولفینی، ساختار اولیه برای مواد پلیمری هستند، ایجاد زنجیره های سنگین هیدروکربنی در ادامه عملیات شکست حرارتی امری اجتناب ناپذیر است.
برای مقابله با واکنش های ثانویه باید جریان خروجی از رآکتور سریعا خنک شود و به درجه حرارتی که از توقف واکنش های ثانیوه جلوگیری می نماید برسد. در نتیجه، استفاده از مبدل های خط تبادل که به اختصار TLE نامیده می شوند، در واحد ضرورت می یابد. پیش از این در دهه های گذشته، عملیات سرد کردن جریان خروجی از رآکتور شکست حرارتی به وسیله تزریق روغن و یا آب انجام می شد که به روش های سرد کردن مستقیم معروفند. این روش علاوه بر افزایش هزینه های جداسازی، تولید بخار با فشار بالا (قابل استفاده در توربین ها) را نیز به همراه خواهد داشت که در کاهش هزینه های واحد سهم بسزایی دارد.
بی تردید مدلسازی و شبیه سازی فرایندها در واحدهای صنعتی از اهمیت خاصی برخوردار است. امروزه شبیه سازی به معنای استفاده از
کامپیوتر در حل مدل های ریاضی سیستم است که ابزار کار طراح بوده و وی را قادر به مطالعه فرایند می کند. مزیت اصلی مدل سازی و شبیه سازی در این است که با صرف کمترین هزینه و در کوتاه ترین مدت زمان، می توان با دقت بالایی همان نتایج تجربی را به دست آورد بدون آنکه تغییری در واحد صنعتی داده شود.
تولیدات صنعت پتروشیمی به عنوان یک صنعت مادر، تأمین کننده بسیاری از مواد اولیه مصرفی مورد نیزا تعداد قابل توجهی از صنایع است. فراورده های پتروشیمی در صنایع پایین دستی به ویژه صنایعی چون نساجی، پلاستیک، کشاورزی، غذایی، رنگ سازی، شیشه سازی و… مورد استفاده قرار می گیرند.
پتروشیمی صنعتی است که از مواد اولیه هیدروکربنی، محصولات گوناگون مورد نیاز زندگی امروز را فراهم می سازد و در واقع در این صنعت با اعمال یک سلسله فعل و انفعالات شیمیایی از هیدروکربن های نفتی، فراورده هایی با ارزش افزوده ای معادل ده ها برابر ارزش مواد اولیه آن تولید می شود. میزان افزایش این ارزش افزوده با درجه پیچیدگی عمل، رابطه مستقیم دارد.
فعالیت در این رشته صنعتی در ممالک در حال توسعه از یکی دو دهه اخیر آغاز شده و در این میان کشورهایی که ذخایر و منابع نفتی دارند هرچند گام های بیشتری برداشته اند اما هنوز در ابتدای راه هستند.
بررسی های انجام شده در مورد صنایع پتروشیمی در کشورهای هم جوار نشان می دهد که عربستان از نظر حجم تولیدات و حضور در بازارهای صادراتی و ترکیه از نظر تنوع محصولات و عرضه در برابر متقاضیان داخلی خود وضعیت بسیار مطلوب تری دارند.
