:
اختلاط دو مایع امتزاج ناپذیر، به گونه ای است که یک مایع در مایع دیگر پراکنده شده و ایجاد قطره می نماید. توزیع اندازه قطرات (که ناشی از دو پدیده مخالف هم یعنی شکسته شدن و درهم ادغام شدن قطرات می باشد) نقش مهمی در کارایی بسیاری از فرایندهای صنعتی از قبیل تولید مواد شیمیایی، معدنی، نفت، مواد داروئی، غذایی و غیره دارد. برای سیستم های پراکنده مایع – مایع که در آنها انتقال جرم یا واکنش شیمیایی صورت می گیرد، نسبت مساحت سطح به حجم قطرات بایستی در حداکثر ممکن باشد و این یعنی کوچکتر شدن هرچه بیشتر قطرات. اما این امر مسائلی نیز به دنبال دارد مانند افزایش زمان جدائی دو فاز. بنابراین همواره به دنبال یک توزیع اندازه قطره بهینه هستیم و این توزیع بستگی به نرخ کوالسنس و شکسته شدن قطرات و اینکه کدام تعیین کننده باشد دارد.
فصل اول: کلیات
1-1) هدف

همانطور که گفته شد سیستم های پراکنده نقش مهمی در فرایندهای عملیات مهندسی شیمی و واکنش های شیمیایی دارند. در آن واکنش های شیمیایی که سطح مشترک عامل تعیین کننده سرعت است و عملیات های انتقال جرم و حرارت، هرچه قطرات ریزتری داشته باشیم، نرخ انجام فرایند افزایش می یابد. اما این امر مشکلاتی را نیز به همراه دارد و زمان جداسازی فازها ممکن است روزها به طور بانجامد که هرگز مطلوب نمی باشد. همچنین ریزتر کردن قطرات هزینه های عملیاتی را بالا می برد. بنابراین در طراحی های سیستم های 

پراکنده همواره یک توزیع اندازه قطره بهینه مورد نظر است. این توزیع ممکن است باریک و یا گسترده باشد که مسلما توزیعی مناسب است که دارای کمترین انحراف استاندارد باشد. این توزیع علاوه بر مشخصات فازها (ویسکوزیته، دانسیته، کشش بین سطحی) به ساختار هندسی و دور همزن نیز بستگی دارد که همگی آنها را می توان در نرخ های شکسته شدن و کوالسنس قطرات خلاصه کرد.

در طراحی بهینه سیستم های پراکنده در تانک های اختلاط شونده از نوع همزنی بایستی استفاده کرد که با مصرف کمترین میزان انرژی، پراکندگی مورد نظر را در سریع ترین زمان ممکن به وجود آورد. همزن توربینی شش تیغه ای (معروف به توربین راشتون) با توجه به مشخصات پراکنده سازی خوبی که دارد برای این منظور در محدوده های ویسکوزیته کم و در مطالعات سیستم پراکنده مایع – مایع عموما به کار می رود. اگر مکانیسم تعیین کننده اندازه قطرات مجهول باشد، امکان طراحی مناسب عملیات سخت می گردد و ممکن است مسائل مختلفی به وجود آید، مثلا اصلا به اندازه مطلوب قطره دست نمی یابیم یا اینکه بعد از مدت طولانی این امر حاصل شود و یا حتی اندازه قطر متوسط مطلوب به دست آمده باشد ولی توزیع خیلی گسترده باشد.
انتقال جرم و واکنش های شیمیایی بر نرخ های شکسته شدن و کوالسنس و در نتیجه توزیع اندازه قطرات تاثیر دارد. این امر می تواند به دلیل تغییر مشخصات فیزیکی فازها باشد و یا اینکه جزء سوم دیگر بر رفتار کوالسنس تاثیرات مختلفی داشته باشد. در مطالعات سیستم های پراکنده سعی می کنند تا آنجا که امکان دارد فازها خالص و عاری از هرگونه ناخالصی باشد تا اثرات پارامترهای سیستماتیک و مکانیک سیالاتی بهتر مشخص گردد.
اگر سیستم ذاتا کوالسنس کننده باشد، یا اینکه درصد حجمی فاز پراکنده بالا باشد و یا انرژی توربلانسی فاز پیوسته برای شکستن قطرات کافی نباشد، دورهای پایین همزن به قطرات بزرگی خواهد شد. اگر شرایط به گونه ای باشد که نرخ های شکسته شدن و کوالسنس قابل مقایسه باهم باشند، احتمالا خیلی دیر به توزیع مورد نظر دست خواهیم یافت و اگر طراحی تانک و همزن و شرایط عملیاتی به خوبی صورت نگرفته باشد، توزیع خیلی گسترده ای ممکن است حاصل آید.
در این پروژه هدف دانستن مکانیسم تعیین کننده اندازه قطرات و توزیع اندازه قطرات که نقش تعیین کننده در طراحی بهینه تانک های اختلاط شونده دارد، می باشد.
2-1) پیشینه تحقیق
بسیاری از نتایج آزمایشگاهی با تشکیل قطره در یک نازل و سپس رها شدن آن بر روی فصل مشترک مایع – مایع به دست آمد، به طوری که زمان پیوند قطره را بتوان اندازه گیری کرد.
اولین مطالعه دانشگاهی توسط رانولدز (1881) با شاهد پیوند قطرات باران در یک استخر انجام شد و این مسئله توسط ورسینگتون (1895) و اسملوچوسکی (1971) با عکس برداری که آنها را قادر ساخت تا پدیده های پیچیده ای را مشاهده کنند، پیگیری شد و آنها را به سوی مکانیسم تشکیل قطره کوچک هدایت کرد. یک تعریف اجمالی از زمان پیوند یک قطره در فصل مشترک را از زمان تولید یک قطره در نازل تا رسیدن به نقطه ای که محتویات قطره به داخل فاز همگون منتقل شود در نظر می گیرند. یک لایه نازک از سیال فاز پیوسته بین قطره و فصل مشترک حائل می شود، این لایه باید قبل از اینکه عمل گسیخته شدن و سپس انتقال به داخل فاز همگون اتفاق بیافتد، تخلیه شود و تخلیه این لایه نازک فرایند پیوند قطره را کنترل می کند.

:
گاز سنتز (مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن) به عنوان یک ترکیب حد واسط بسیار پراهمیت در صنایع پتروشیمی برای انجام واکنش های گاز به مایع (GTL) و تولید هیدروکربن هایی ارزشمند مانند متانول، آمونیاک و… جایگاهی ویژه در تحقیقات مرتبط با صنایع پتروشیمی، جهت بهینه سازی فرایندها و در نتیجه افزایش بهره وری واحدها و فرایندها از جهت افزایش بازده و کاهش انرژی مصرفی دارد.

روش های مرسوم تولید گاز سنتز مانند اکسیداسیون جزیی متان و رفرمینگ با بخار، به ترتیب با نیاز به انرژی حرارتی بالا و کاتالیزور، روش های پرهزینه ای به شمار می روند. از این رو چالشی بزرگ در پیش روی به کارگیری گاز سنتز وجود دارد. به این ترتیب تعیین یک 

روش کم هزینه تر و یا پربازده تر مطلوب تواند بود.

به همین دلیل پژوهش های فراوانی برای یافتن یک روش جایگزین انجام گرفته است. فن آوری هایی مانند: راکتورهای غشایی، ریفورمر مبدل حرارتی و راکتورهای پلاسما از جمله دست آوردهای این تحقیقات می باشند.
راکتورهای پلاسما در طی این مدتی که از کاربردشان به صورت جدی در زمینه تحقیقاتی (و البته نیمه صنعتی و صنعتی) می گذرد نشان داده اند، که با ایجاد زمینه ای مناسب جهت کاهش انرژی و در نتیجه هزینه های مربوط، گامی روبه جلو در صرفه جویی مصرف انرژی می باشند.
طبیعی است اگر این نتایج برای تولید ماده ارزشمندی چون گاز سنتز موثر بیفتد شاهد تحولی شگرف در صنایع پتروشیمی خواهیم بود.
با مطرح شدن و اهمیت پیدا نمودن مفهوم پالس در سال های اخیر – به عنوان یک پارامتر پراهمیت در جهت کاهش انرژی مصرفی و افزایش میزان تبدیل مواد اولیه داخل راکتور – به کارگیری راکتورهای پلاسمای پالسی برای تولید گاز سنتز با انگیزه میزان تبدیل بالاتر متان در قبال انرژی مصرفی کمتر روند جدی تری به خود گرفته است. بخشی از فعالیت های انجام گرفته در این زمینه در فصل اول جهت آگاهی علاقمندان آورده شده است.
در این پژوهش کوشش شده است گاز سنتز در یک راکتور کرونای پالسی با فرکانس بالا از خوراک متان و اکسیژن در شرایطی از میزان تبدیل و انرژی مصرفی قابل قبول به همراه نسبتی از محصولات که برای به کارگیری در صنایع پتروشیمی مناسب باشند، تولید شود.
از این رو با توضیح شرایط عملیاتی و نوع طراحی آزمایش که تلاش شده است با دقت بالایی انتخاب شود نتایج به دست آمده ارائه می شوند.
در ادامه به کمک تحلیل های آماری و رسم نمودار ضمن تعیین تاثیر پارامترهای مورد بررسی تاثیر و میزان تاثیر هریک مورد بحث قرار می گیرند و نقاط بهینه تعیین می گردند.
لازم به ذکر است جهت آشنایی با روال تحقیقات و نتایج موجود در این زمینه و آشنایی با مفاهیم پایه پلاسما و گاز سنتز، در فصول یک و دو توضیحاتی آورده شده است. ولی توضیحات تفصیلی به خاطر دوری از اطاله کلام در اینجا آورده نشده است. در این مورد علاقمندان می توانند به سمینار اینجانب با نام “بررسی واکنش های شیمیایی در راکتورهای پلاسمای همراه پالس” تحت نظارت دکتر محمدرضا امیدخواه مراجعه نمایند.

در سال های اخیر تحقیقات زیادی برای تصفیه فاضلاب به کمک تکنولوژی پیشرفته و همچنین استفاده از روش های ساده و کم هزینه با بهره برداری و نگهداری آسان در کشورهای پیشرفته و در حال توسعه انجام شده است. برکه های تثبیت (wsp) با طراحی و بهره بردای مناسب را می توان جزء فرایندهای مطمئن، کارآمد، اقتصادی، امکان پذیر و آسان جهت تصفیه فاضلاب شهری در نظر گرفت. بی دلیل نیست که درصد زیادی از تصفیه خانه های فاضلاب های بهداشتی و صنعتی کشورهای اروپایی و آمریکایی را برکه های تثبیت تشکیل می دهند. به عنوان مثال بیش از یک سوم تصفیه خانه های موجود در آمریکا یعنی بیش از 7000 تصفیه خانه از نوع برکه تثبیت می باشند. در کشورهای فرانسه و آلمان به ترتیب 1500 و 2000 و در چین بیش از 10000 برکه تثبیت وجود دارد. در حال حاضر اکثر کشورهای جهان حتی آن دسته از کشورهایی که زمستان طولانی دارند توجه خاصی به این سیستم تصفیه دارند.

با توجه به اینکه برکه های تثبیت مزایای عمده ای از قبیل راندمان بالا در تصفیه فاضلاب، شوک پذیری، راحتی طراحی و بهره برداری، 

اقتصادی و غیره دارند ولی از آنجایی که نیاز به زمین نسبتا زیادی دارند که علاوه بر افزایش هزینه خرید زمین و احداث برکه ها، مقداری آب هم از طریق نفوذ و تبخیر از دست می رود و باعث محدودیت کاربرد آن ها می گردد. و از دیگر بزرگترین برکه های تثبیت وجود جلبک در خروجی پساب برکه می باشد. بنابراین هر طرح و تحقیقی که بتواند این معایب را کاهش دهد می تواند کاربرد این فرایند تصفیه فاضلاب را کاهش دهد.

فصل اول: کلیات
1-1- تعریف موضوع
در این تحقیق تاثیر مواد منعقد کننده معدنی را بر جداسازی توده جلبکی حاصل از پساب برکه های تثبیت را با بهره گیری از آزمایش جارتست مورد بررسی قرار داده ایم.
2-1- فرضیات و اهداف
الف – چنانچه توده بیولوژیکی موجود در پساب خروجی از برکه های تثبیت فاضلاب (که عامل اصلی بالا بودن مواد معلق، اکسیژن خواهی شیمیایی، اکسیژن خواهی بیوشیمیایی مشتقات نیتروژن و فسفر در پساب می باشند)، در معرض مواد منعقد کننده معدنی قرار گیرد، حالت کلوئیدی خود را از دست داده و با تشکیل لخته های نسبتا درشت با عملیات فیزیکی نظیر ته نشینی و فیلتراسیون از فاضلاب جدا می شود.
ب – نوع و غلظت بهینه مواد منعقد کننده (به منظور ارتقاء کیفیت پساب خروجی برکه های تثبیت تصفیه خانه های فاضلاب) قابل تعیین است.
براساس فرضیات در نظر گرفته شده در این تحقیق اهداف ذیل مدنظر می باشد:
الف – بررسی نحوه تاثیرگذاری مواد منعقد کننده معدنی بر ناپایدار سازی سیستم کلوئیدی موجود در پساب خروجی برکه های تثبیت.
ب – انتخاب نوع و غلظت بهینه مواد منعقد کننده معدنی برای ارتقاء کیفیت پساب خروجی از برکه های تثبیت مذکور
ج – تعیین پارامترهای کیفی (نظیر کدورت، PH، TSS، VSS، COD , TKN) در پساب زلال شده با مواد منعقد کننده و مقایسه آن با پساب معمولی خروجی از برکه های تثبیت مورد مطالعه.

:
یکی از مهمترین مباحثی که در حال حاضر مطرح می باشد بازیافت توان و انرژی در صنعت و استفاده بهینه از انرژی های موجود در واحدهای مختلف نفت و پتروشیمی یا به عبارت دیگر انتگراسیون فرایندها است. در ریاضیات انتگرال گیری از تابع به مفهوم محاسبه سطح محصور بین منحنی و یکی از محورهای مختصات می باشد و این امر با تعیین سطح هر مستطیل یا ذوزنقه و جمع کردن مساحت های آنها امکان پذیر می باشد. انتگراسیون فرایندها نیز مفهوم مشابهی دارد، به عبارت دیگر، منظور از انتگراسیون فرایندها (یکپارچه کردن فرایند) چیدن و قرار دادن اجزاء تجهیزات فرایندی در واحد می باشد (جمع کردن تجهیزات) به نحوی که شرایط بهینه حاصل گردد. هدف از انتگراسیون فرایندها را می توان به صورت زیر بیان نمود:

1- طراحی بهتر فرایند

2- کاهش هزینه های منابع حرارتی گرم و سرد خارجی
3- کاهش اتلاف انرژی
4- استفاده بهینه و مناسب از دستگاه ها
تئوری Pinch انتگراسیون فرایندها را امکان پذیر می سازد، این روش برای حل بسیاری از مسائل فرایندی از جمله موارد زیر کاربرد دارد:
1- طراحی شبکه مبدل های حرارتی
2- تعیین صحیح محل قرار گرفتن تجهیزات فرایندی (کمپرسورها، پمپ ها، توربین ها، برج های تقطیر و…)
3- انتخاب بهینه منابع حرارتی گرم و سرد خارجی
4- تعیین تقریبی سطح تبادل حرارت شبکه مبدل های حرارتی، قبل از طراحی شبکه مورد نظر (Targeting)
5- تعیین هزینه دستگاه ها (Capital Cost) و هزینه انرژی (Energy Cost)
نظر به اینکه انتگراسیون فرایند یک سیستم روش شناسی سازگار یافته است، از بزرگترین مزایای آن پیش بینی فرایندهای یا واحدهای پیچیده از قبیل پالایش نفت، کارخانجات شیمیایی، پتروشیمی و غیره می باشد. در واحدهای ساده و کوچک مانند صنایع غذایی و نوشیدنی نیز انتگراسیون فرایند کاربردی و پردازشی است. از صنایع دیگری که انتگراسیون فرایند به طور موفقیت آمیزی در مورد آنها عمل کرده است صنایع خمیر، کاغذسازی، داروسازی و صنایع فلزی می باشد.
یکی از مفصل ترین مباحث انتگراسیون فرایند، طراحی و توصیف راکتورها، جداکننده ها (مخصوصا سیستم هایی با مصرف انرژی همانند برج های تقطیر، خشک کن ها و تبخیر کننده ها)، شبکه مبدل های حرارتی و واحدهای پشتیبانی (بخار در فشارهای مختلف، کوره ها، سردسازها و غیره) است، از طرفی Aspen pinch یک ابزار فراگیر برای طراحی یا طراحی مجدد سیستم شبکه مبدل های حرارتی جهت بازیافت انرژی می باشد. به کارگیری این تکنیک در طراحی مبدل های حرارتی و خصوصا انجام اصلاحاتی بر روی آنها به منظور افزایش تبادل حرارت و در نتیجه کاهش نیاز به مصرف انرژی از تأسیسات حرارتی سرد و گرم، مقرون به صرف می باشد.
در این پروژه اطلاعات مربوط به فرایند تولید کمپلکس PVC در واحد پتروشیمی اروند جمع آوری شده است و مطالعه تکنولوژی Pinch و تجزیه و تحلیل نتایج در این واحد انجام گردیده است. این تجزیه و تحلیل با بهره گرفتن از نرم افزار Aspen pinch صورت پذیرفته است.