وبلاگ

:

نگرانی در مورد انتشار گازهای آلاینده به اتمسفر و افزایش دمای زمین چند سالی است که از مهمترین نگرانی های نوع بشر شده است. افزایش استفاده از سوخت های فسیلی با افزایش روزافزون تقاضا برای انرژی، دانشمندان را به یافتن منابع انرژی جایگزین و تجدیدپذیر واداشته است. از طرف دیگر، دفع پسماندهای شهری در لندفیلدها، خود از مشکلاتی است که نگرانی های زیست محیطی چون آلوده شدن 

منابع آب های زیرزمینی در نتیجه نفوذ شیرابه حاصل از پسماندهای دفن شده در زیر خاک، شیوع بیماری ها، بوی مشمئز کننده حاصل از تعفن و بسیاری از موارد دیگر، دانشمندان را به مطالعه و تحقیق برای یافتن راه حلی برای تصفیه شیرابه و روش های دفع آن واداشته است. شیرابه حاصل از لندفیلد یکی از آلوده ترین پساب ها می باشد که BOD و COD بسیار زیاد آن وجه تمایز شیرابه و فاضلاب شهری است. روش های مختلف در تصفیه شیرابه کاربرد دارد اما با هیچ یک از روش های موجود چه از بعد مصرف انرژی و هزینه های گزاف تحمیلی و چه از بعد راندمان مناسب و کاهش BOD و COD آن به نحوی که قابل دفع در محیط باشد نتایج مطلوب به دست نیامده است. تکنولوژی پیل های سوختی میکروبی چند دهه ای است که از اهمیت ویژه ای برخوردار شده است. پیل سوختی میکروبی به لحاظ “سبز” بودن مناسب ترین تکنولوژی برای تصفیه شیرابه و تولید همزمان انرژی می باشد. اما مشکل اساسی آن، توان خروجی و بازدهی کم انرژی آن است که عمدتا ناشی از متابولیسم کند میکروب ها می باشد. به هرحال، با پیشرفت های زیادی که در توسعه آن حاصل می شود، می توان به آینده پرکاربرد این تکنولوژی چه در زمینه تصفیه پساب و چه در زمینه تولید انرژی تجدیدپذیر بسیار امیدوار بود.

در این تحقیق، ابتدا به معرفی پیل سوختی، تاریخچه، مبانی و انواع آن پرداخته شده است که پیل سوختی میکروبی نیز از نسل های بعدی آن محسوب می شود. سپس، پیل های سوختی میکروبی و انواع آن مطرح شده است. تشریح اجزا، مکانیسم عملکرد، کاربردها و مسائل و مشکلات مربوط به آن به تفصیل مطرح شده است. در پایان نیز به کاربرد پیل های سوختی میکروبی در تصفیه شیرابه و پیشرفت های اخیر آن پرداخته شده است.

اتیلن یکی از مهمترین مواد در صنایع پتروشیمی است که اساس تولید خیلی از محصولات پتروشیمی نیز است. یکی از روش های تبدیل گاز طبیعی به اتیلن استفاده از فرایند OCM است. این روش در واقع تبدیل مستقیم متان از طریق اکساینده ها است. البته روش های مختلفی جهت طراحی فرایندهایی که در آن تبدیل مستقیم گاز طبیعی به محصولات باارزش مانند اتیلن و اتان پیشنهاد شده است. از بین این روش ها فرایند OCM به عنوان بهترین راه جهت تبدیل متان به هیدروکربن های C2 شناخته می شود.

سنتز اتان و اتیلن به وسیله واکنش OCM به خاطر اکسیداسیون پیچیده غیرهمگن و کاتالیستی بودن دارای گزینش پذیری و بازدهی پایینی است. واکنش ها و فرایندهای زیادی جهت تولید اتیلن آزمایش شده است و تحقیقات نیز جهت بهبود گزینش پذیری و بازدهی اتیلن ادامه دارد. در این راستا کاتالیست های مختلفی در واکنش های همگن – غیر همگن امتحان شده است. واکنش در دماهای مختلفی صورت گرفته است و نسبت های مختلفی از متان به اکسیژن ورودی آزمایش شده است. اتان و اتیلن با جفت شدن رادیکال های متیل در فاز گازی تشکیل می شوند. علاوه بر جفت شدن رادیکال ها با یکدیگر واکنش های نامطلوب ممکن است به تشکیل COx ها منجر شوند. در بسیاری موارد یک رابطه مستقیم بین خواص بازی و اسیدی و عملکرد کاتالیست وجود دارد.

مثال هایی نیز وجود دارد که کاهش در خواص بازی کاتالیست، سوددهی داشته و از تشکیل کربنات (به عنوان سم کاتالیست) که در نتیجه دی اکسید کربن تولید شده در فرایند حاصل می شود، جلوگیری می کند.
آزمایش های زیادی انجام می گیرد که فرایند OCM برای تولید هیدروکربن های C2 علی الخصوص اتیلن با بازدهی بالا انجام گیرد. بنابراین در راستای یافتن برای بهترین و موثرترین کاتالیست راکتورهای مختلفی نیز مورد آزمایش قرار گرفته اند که ضمن تبدیل بالای متان بر محدودیت بازدهی پایین و گزینش پذیری پایین اتیلن نیز غلبه کنند.
فصل اول
1- کلیات
1-1- فرایند تبدیل مستقیم اتات به اتیلن
فرایند تبدیل متان به اتیلن با وجود پیچیدگی ها و مراحل زیاد در دو مرحله واکنش زیر خلاصه می گردد:
(1) 4CH4+O2->2C2H6+2H2O
(2) C2H6->C2H4+H2
مکانیسم واکنش های فوق پیچیده است. قسمتی از اکسیژن بر روی سطح کاتالیست در دماهای بالا فعال شده و با متان بر روی سطح فلز واکنش می دهند. در این حالت ساختار خاصی برای اکسیژن مانند O- تصور می شود که بسیار فعال می باشد. بنابراین می توان تصور کرد که فرایند  OCM تنها در دماهای بالا و معمولا در رنج دمایی (1073 – 873 درجه کلوین) رخ می دهد. اگر O- یک گونه فعال باشد O- یا سطحی که O- را بروی خود قبول می کند باید در دمای بسیار بالایی بر روی سطح فلز تولید شود. در این حالت متان با از دست دادن هیدروژن بر روی سطوح فعال برای تشکیل رادیکال های متیل فعال می شود. اتان و اتیلن نیز در نتیجه جفت شدن رادیکال های متیا در فاز گازی تشکیل می شوند.
انواع راکتورها از جمله راکتور با بستر ثابت، بستر سیال، غشاء، راکتور با جریان معکوس و راکتور با بستر متحرک جریان غیرهمسو آزمایش شده و شبیه سازی شده اند اما راکتور با بستر ثابت و راکتور با بستر سیال در مطالعات آزمایشگاهی کاربرد زیادتری داشته است و آن هم به خاطر سهولت کار کردن با آنها نسبت به بقیه است. در این مطالعه ما قصد داریم که با استفاده همزمان از این دو راکتور ضمن تبدیل بالای متان بازدهی و گزینش پذیری اتان و اتیلن را بالا ببریم. اما قبل از ورود به فرایند مورد نظر نتایج حاصله از آزمایشات که با این نوع راکتورها انجام شده و در آن از کاتالیست های مختلف استفاده شده و واکنش ها نیز در شرایط عملیاتی مختلفی انجام شده است بپردازیم. سپس با انتخاب موثرترین کاتالیست و بهترین شرایط عملیاتی به طراحی واکنش بپردازیم و نتایج حاصل از آن را به صورت مدل ریاضی در بیاوریم.
بنابراین مطالعه را در دو بخش ابتدا راکتورهای بستر ثابت که در آن تاثیر کاتالیست های مختلف و شرایط عملیاتی آزمایش می شود و سپس راکتورهای بستر سیال در آن آزمایش می شوند، انجام می دهیم. بعد به بررسی طرحی می پردازیم که در آن واکنش OCM ابتدا در یک راکتور با بستر ثابت (یا راکتور فلودایز) انجام می شود و جریان خروجی از راکتور اول از یک مرحله جداسازی که در آن محصولات از متان و سایر گازها جدا می شوند عبور می کند و متان واکنش نکرده خروجی راکتور اول، وارد راکتور دوم می گردد.

اسید فسفریک صنعتی تولید با روش تر (Wet- Process) که محصول واکنش سنگ معدن فسفات و اسید سولفوریک است، به منظور خالص سازی و به دست آوردن اسید فسفریک در درجه های خوراکی و دارویی و… به وسیله سرمایش مستقیم کریستاله شد.
بررسی های انجام شده به وسیله آزمایش نشان داد که کریستالیزاسیون مستقیم به دلیل افزایش شدید ویسکوزیته در دماهای پایین تر از (20- درجه سانتیگراد) امکان پذیر نیست. همچنین آزمایشات نسان داد که ناخالصی های موجود در اسید فسفریک صنعتی مانند کلسیم، منیزیم، آهن و آلومینیوم که از طریق سنگ معدن فسفات و اسید فسفریک وارد محصول می شوند، مقاومت اسید را برای رسیدن به ناحیه فوق اشباع و کریستالیزاسیون به شدت افزایش می دهند و اسید در دماهای پایین به توده ای سخت و منجمد تبدیل می شود.
برای جلوگیری از این امر قبل از اینکه پدیده توده ای شدن اتفاق بیفتد در دمای 15- درجه سانتیگراد از دانه های اسید فسفریک (Seeds) استفاده می کنیم. در این صورت فوق اشباعی صرفا در جهت رشد دانه ها مصرف می شود و از هسته زائی اولیه (Primery nucleation) که عاملی مهم در افزایش ویسکوزیته است جلوگیری می شود. برای کاهش ویسکوزیته در حین سرمایش از محلول های بی اثر مانند آب مقطر و اسید سولفوریک استفاده شد.
در انتها نیز کریستالیزوری برای تولید یک تن اسید سولفوریک در روز به همراه سیستم سرمایش آن با بهره گرفتن از داده های به دست آمده طراحی شده است.
فصل اول: خصوصیات فیزیکی و شیمیایی اسیدفسفریک

1-1- اسید فسفریک

1-1-1- خصوصیات
خصوصیات فیزیکی: اسید فسفریک به صورت بدون آب و خالص H3PO4 با mp=42/35 درجه سانتیگراد و Mw=98 و p=1/88g/cm3 به فرم کریستال های بی رنگ و قابل حل در آب می باشد. اسید فسفریک آبدار با فرمول 1/2H2O , H3PO4 نیز شناخته شده است. شکل 1-1 دیاگرام فازی H3PO+H2O را نشان می دهد.
اسید فسفریک به طور نامحدود در آب قابل حل می باشد. این ماده در سه غلظت استاندارد در دسترس می باشد.
75% H3PO4 with 54,3% P2O5 , mp=-20 ‘C
80% H3PO4 with 58,0% P2O5 , mp=0 ‘C
85% H3PO4 with 61,6% P2O5 , mp=21 ‘C
اسید 85% (p=1,687g/cm3) شربتی مانند است، دارای ویسکوزیته بالایی می باشد و در شرایط سرمای زیاد (super cool) نگهداری می شود. اسید بی آب را می تواند از اسید 85% با تبخیر در دمای 80 درجه سانتیگراد به دست آورد.
جدول (1-2) و (1-3) نیز تغییرات دانسیته اسید فسفریک را در غلظت های مختلف و در محدوده دمایی 10 – 40 درجه سانتیگراد نشان می دهند.
جدول (1-4) و (1-5) ظرفیت گرمایی اسید فسفریک را در دماها و غلظت های مختلف نشان می دهند.
سایر خصوصیات فیزیکی اسید فسفریک نظیر گرمای تشکیل و ذوب اسید فسفریک، فشار بخار محلول های اسید فسفریک، نقطه جوش و انجماد و گرمای رقیق سازی در شکل ها و جداول زیر نشان داده شده است.
این جداول نشان می دهند که دانسیته اسید فسفریک در محدوده دمایی 25 – 100 درجه سانتیگراد تقریبا ثابت باقی می ماند. همچنین با بهره گرفتن از این جداول می توان دریافت که این قانون برای گرمای مخصوص (Specific heat) نیز صحیح است.
خصوصیات شیمیایی: ارتو فسفریک اسید به صورت سه ظرفیتی (tribasic) می باشد. ثوابت تفکیک به قرار زیر می باشد.
با این پایه base محلول آبی دی هیدروژن فسفات دارای قدرت اسیدی ضعیف می باشد و به دنبال آن محلول آبی هیدروژن فسفات و سپس سومین فسفات دارای قدرت اسیدی ضعیف تر و یا دارای قدرت بیشتری می باشند.

آلودگی هوا، یکی از پدیده های زندگی مدرن امروزی و ناشی از پسماندهایی است که در اثر فعالیت های شبانه روزی بشر به وجود می آید. این پسماندها ناشی از تولید مواد غذایی، صنعتی، کالاهای مختلف و انرژی است. شاید بتوان علل اصلی آلودگی هوا را در احتراق ناقص جستجو کرد که طی آن، بر اثر عدم سوخت رسانی کامل و یا نسبت نامناسب هوا و سوخت، پس از احتراق، موادی نظیر منواکسید کربن، اکسید سولفور، اکسید نیتروژن، ذرات خاکستر و یا هیدروکربورهایی که سوخته نشده وارد هوا می شود. از آنجایی که این مواد بر روی کل حیات اثر سوء می گذارند، به عنوان آلاینده های هوا از آنها یاد می شود.

هوای آلوده، پدیده ای است که از ترکیب یا اختلاط هوا و مواد یا ذرات خاصی، در مدت زمان معینی تولید می شود و در صورت تداوم، بیمار

ی ها یا اختلالاتی برای انسان، حیوانات و گیاهان ایجاد می کند و به میزان قابل ملاحظه ای، زندگی بشر را به مخاطره می اندازد.

هوای پاک به هوایی اطلاق می شود که عاری از مواد و ذرات مضر به حال انسان، حیوانات و گیاهان در درجه اول، و سایر موجودات و تولیدات در مرحله بعد باشد.
آلاینده های موجود در هوا دو نوعند: اولیه (Primary) و ثانویه (Secondary).
آلاینده های اولیه موادی هستند که در اثر منابع آلوده کننده به هوای محیط وارد می گردند. مانند: اکسیدهای سولفور، اکسیدهای نیتروژن، سولفید هیدروژن، منواکسید کربن، سرب، ذرات آلوده یا مواد معلق (گرد و خاک، غبار، دودهای سیاه)، هیدروکربورها، ترکیبات آلی فرار (VOCs) و…
آلاینده های ثانویه به موادی اطلاق می شود که در اثر فعل و انفعال موجود در هوای اطراف زمین تشکیل می گردند، بعضی از این فعل و انفعالات را می توان در جدول 1-1 مشاهده نمود.
برای جلوگیری از آلودگی و تخریب محیط زیست نیاز به آگاهی و مشارکت عمومی است. بنابراین باید بیشتر روش هایی مورد بهره برداری قرار گیرند که در کشورهای پیشرفته مورد استفاده قرار گرفته و جنبه کاربردی آن به اثبات رسیده باشد.
در این پروژه چون به مدلسازی بیوفیلتر مورد استفاده جهت حذف متانول پرداخته شده و متانول جزء گروه ترکیبات آلی فرار (VOCs) است پس تنها به شرح مختصری درباره این گروه از آلاینده ها می پردازیم.

:
داشتن زندگی عاری از خطر آرزو و هدف همۀ مردم در همۀ اعصار بوده است. زیرا میل به ایمنی و امنیت بخش تفکیک ناپذیری از ماهیت همۀ انسانها می باشد. از طرفی دیگر بشر همواره در تلاش برای بهبود زندگی و راحتی بیشتر بوده و در این راه سعی کرده با ایجاد تغییر در طبیعت، متغیرهای آن را به خدمت خود در آورد که در این راه همواره با دست یابی به مواد، تجهیزات، دستگاه ها و به عبارتی ساده تر به خدمت گرفتن فن آوری نوین و غیره و همان اندازه نیز با خطرات بیشتر و همچنین جدیدتری مواجه گردیده است.
ایدۀ ایمنی از همان سالهای نخست زندگی بشر شکل گرفت، انسانهای اولیه دلایل خوبی برای اتخاذ احتیاطات و تدابیر دفاعی داشتند آنها به دلیل عدم اطلاع از علل واقعی از خطرات طبیعی که در مجاورت خود داشتند می ترسیدند، وجود حیوانات وحشی یک منبع دائمی خطر در اطراف آنها به شمار می رفت، منابع غذایی محدود بود و… به همین دلایل انسانهای نخستین نیز همواره سعی در افزایش توانایی های دفاعی خود داشتند. آنها یاد گرفتند که خطرات را ارزیابی کنند و در مقابل آنها واکنش دفاعی نشان دهند ، بدون شک انسان های ماقبل تاریخ توانایی طرح و اجرای برنامه های ایمنی را داشتند. که این امر نقش حیاتی در زنده ماندن آنها ایفا کرد.
با گذشت زمان طرحهای ایمنی شکل اجتماعی به خود گرفت، برای تأمین نیازهای ایمنی مردم شروع به تطابق، کشف و اختراع وسایل جدید نمودند که مجموع این تلاش ها بر توانایی آنها در ایجاد و سرعت بخشیدن به تغییرات دلخواه افزوده است.

شواهد موجود نشان می دهد که انسان خیلی زود یاد گرفت با این گونه خطرات که بدلیل عدم مراقبت و حفاظت ناکافی و نامناسب در هنگام استفاده از تجهیزات و مواد مختلف رخ می دهد برخورد کرده و برای حذف یا به حداقل رساندن پیامدهای آنها ابزارهای کنترلی را به خدمت بگیرند، او آموخت که در هنگام مواجهه با ماهیتهای تهدید کننده، تغییراتی در رفتارهای اجتماعی خود ایجاد کند این تغییرات در راستایی بود که توسعه و پیشرفت را با عملکردی سودمند مطابق ساز د که گسترش ایمنی در برنامه های مختلف نمونه ای از این تطابق 

هاست و نهایتاً اینکه رسیدن به اصول ایمنی امروزی نتیجۀ قرنها تلاش و تجربۀ طاقت فرساست.

فصل اول: کلیات
1-1- هدف
با روند شتاب زده ای که از نیمۀ دوم قرن بیستم در توسعه و گسترش سیستمهای حساس و پیچیده بوجود آمد این ایده قوت یافت که برای ارزیابی ایمنی سیستمها دیگر نمی توان منتظر وقوع حوادث شد تا بتوان از طریق تجزیه و تحلیل آن نقاط ضعف سیستم را شناسائی و برطرف کرد و لذا سعی گردید که روش هایی برای ارزیابی ایمنی ابداع شود که قادر باشند پتانسیل وقوع خطر را قبل از عملیات سیستم شناسائی نمایند که نتیجۀ این تلاش به شکل گرفتن علم ایمنی سیستمها منجر شد که براساس یک برنامۀ طرح ریزی شده، قانونمند و سازماندهی شده و در قالب یک فرایند “پیش گیرنده” قرار دارند.
از طرف دیگر با وجود همگامی گسترش صنایع با توسعه و تقویت علم ایمنی در کشورهای توسعه یافته، در کشور ما علیرغم تلاشهای زیادی که در راه گسترش صنایع مبذول گردیده است بُعد اساسی ایمنی بدست فراموشی سپرده شده یا حداقل به صورت سطحی بدان پرداخته شده است.
2-1- پیشینۀ تحقیق
تا قبل از سال 1940 میلادی، ایمنی به صورت کنترل خطرات آشکار در مراحل اولیۀ طراحی سیستم مطرح می شد.
یعنی طراحان متکی به روش سعی و خطا بودند. برای مثال این روش در صنعت هوانوردی به پرواز – تعمیر – پرواز معروف بود. بدین صورت که با بهره گرفتن از دانش موجود هواپیما طراحی می شد و به پرواز در می آمد تا اینکه مشکلات ظاهر می شد. سپس مسائل و
مشکلات برطرف شده و دوباره هواپیما به پرواز در می آمد. واضح است که این روش برای هواپیماهای با سرعت کم و ارزان قیمت کارساز بود، در حالی که مثلاً برای سلاحهای هسته ای و سفرهای فضایی قابل قبو ل نبود . زیرا پیامدهای حوادث مربوط به آنها بسیار شدید بود. روش سعی و خطا برای سیستمهایی که باید در لحظۀ شروع کار ایمن باشد، مناسب نبودند. از این رو بود که از آن به بعد برنامۀ ایمنی سیستم به عرصۀ ظهور درآمده و یا دقیق تر اینکه تکامل پیدا کرد. در واقع پروژه های مربوط به موشک و سیستمهای فضایی سبب رونق مهندسی ایمنی سیستم شدند.
در این سیستمها نیاز به روش جدید برای کنترل خطرات کاملاً آشکار شد. موشکهای بالستیک قاره پیما در سال 1960 میلادی اولین سیستمهایی بودند که برای آنها برنامۀ ایمنی سیستم به صورت رسمی و منظم پیدا شد . وزارت دفاع آمریکا 1966 میلادی اولین سند برنامۀ ایمنی سیستم را منتشر نمود. بدنبال آن ناسا نیز برنامۀ ایمنی سیستم را به صورت یکپارچه در عملیات فضایی بکار برد. بسیاری از موفقیتهای برنامه های فضایی مرهون پیاده سازی و اجرای برنامۀ ایمنی سیستم می باشد.
سرانجام استفاده از برنامۀ ایمنی سیستم در صنایع تجاری نیز معمول گشت. به طوری که امروزه این برنامه در نیروگاه های هسته ای، پالایشگاه ها و صنایع پتروشیمی کاربرد فراوان دارد. اولین بار در سال 1985 میلادی، انجمن مهندسین شیمی آمریکا اصول راهنمای
روش های ارزیابی خطر را برای صنایع پتروشیمی ارائه نمودند. در این راهنما بسیاری از ابزارهای تجزیه و تحلیل ایمنی سیستم مطرح گردیده است.