منبع پایان نامه درمورد جداسازي، سازي، غشايي

دانشکده فناوري هاي

سپاسگزاري

هم اکنون که اين رساله به پايان رسيده است، بر خود لازم مي دانم پس از شکر خداوند بي همتا که هر نعمتي از خزانه رحمت اوست، از زحمات و مرارت هاي خانواده و والدينم که هميشه کمال لطف را به فرزندشان مبذول داشته اند، کمال تشکر و سپاس را دارم و نيز از زحمات و پشتيباني اساتيد ارجمند خصوصاجناب دکتر صباغي که در تمام مدت انجام اين تحقيق مرا از راهنمائي هاي گران بهاي خود بهره مند ساختند کمال تشکر را بنمايم. همچنين از جناب آقاي مهندس محمدمهدي ظرافت، محمدمهدي نعمت الهي، زارعي و همينطور همراهي بي دريغ ساير دوستان، قدرداني مي نمايم.

چکيده

مدل سازي حذف يون کلريد از ميعانات گازي با استفاده از نانوفيلتراسيون

به کوشش

رضا ملکي

يون کلريد موجود در ميعانات گازي مي تواند باعث خوردگي شديد تجهيزات و لوله ها شود. بنابراين، حذف آن از جريان ميعانات گازي ضروري است. هدف اين کار مدل سازي رياضي فرايند نانوفيلتراسيون براي جداسازي يون کلريد از ميعانات گازي است. بدين منظور، مدل هاي بار فضايي، مدل سازي غشاي الياف توخالي، شبکه هاي عصبي، انفيس و روش نزديک ترين همسايه ها به کار گرفته شده و مورد بررسي قرار گرفته است. مدل بار فضايي براي سيستم غشايي در مقياس آزمايشگاهي استفاده شده که نتيجه نشان دهنده مقدار زياد جداسازي کلريد از ميعانات گازي بوده است. در بررسي الياف توخالي، ابتدا خروجي مدل با داده هاي آزمايشگاهي مقايسه شده که اين مدل سازي هم بسيار دقيق انجام و منجر به پيش بيني جداسازي مناسب گرديد. جداسازي بر حسب دبي سيال متغير است. در مرحله بعدي کار از شبکه هاي عصبي استفاده شد که مي تواند براي مدل هاي پيچيده رياضي و حجم زياد محاسبات استفاده شود. قابل توجه است که شبکه هاي عصبي مصنوعي مي تواند مشکل دقت اندک ساير مدل ها را بهبود ببخشد. در نهايت، انفيس و روش نزديک ترين همسايه ها براي مطالعه جداسازي کلريد از ميعانات گازي استفاده شده است. براي مقايسه داده هاي آزمايشگاهي و نتايج مدل سازي تغييرات فشار، غلظت و pH بررسي شده است. تطابق خوبي بين داده هاي آزمايشگاهي و نتايج مدل سازي در مطالعات نظري حاصل گرديد. بنابراين دقت زياد نتايج فرايند مدل سازي و انعطاف پذيري مدل قابليت تعميم آن را به فرايند هاي مشابه فراهم مي کند.

کلمات کليدي: نانوفيلتراسيون، مدل سازي، مدل بار فضايي، شبکه عصبي، يون کلريد، ميعانات گازي

فهرست مطالب
عنوان
صفحه
فصل اول- مقدمه و مفاهيم اوليه
1
1-1- مقدمه
2
1-1-1- مزاياي جداسازي غشايي
2
1-1-2- طبقه بندي غشاها
3
1-2- نانوفيلتراسيون
5
1-2-1-ويژگي ها و مشخصات اصلي نانوفيلتراسيون
6
1-2-2- ساختار نانوفيلتراسيون
7
1-2-3- کاربرد نانوفيلتراسيون
8
1-3- ميعانات گازي
11
1-4- تعريف مساله و بيان سوال هاي اصلي تحقيق
12
فصل دوم- مروري بر تحقيقات گذشته
15
2-1- مدل هاي آزمايشگاهي
16
2-1-1- مدل DSPM
16
2-1-2- مدل DSPM-DE
17
2-2- مدل هاي تئوري
19
2-2-1- مدل بار ثابت
19
2-2-2- مدل بار فضايي
19
2-3- مدل‌سازي الياف توخالي
20
2-4- مدل‌سازي بر مبناي ديناميک سيالات محاسباتي
24
2-5- مدل‌سازي بر مبناي هوش مصنوعي
25
فصل سوم- مدل سازي
26
3-1- مدل DSPM-DE
27
3-2- مدل بار فضايي
30
3-3- مدل‌سازي الياف توخالي
33
3-3-1- قسمت پوسته
34
3-3-2- قسمت غشا
35
3-3-3- قسمت لوله
36
3-4- مدل‌سازي با استفاده از هوش مصنوعي
37
3-4-1- شبکه هاي عصبي مصنوعي
38
3-4-2- مدل‌هاي شبکه هاي عصبي مصنوعي
41
3-4-2-1- مدل نرون تک ورودي
42
3-4-2-2- مدل نرون چند قطبي
46
3-4-3- ساختار شبکه عصبي
48
3-4-3-1- شبکه تک لايه
49
3-4-3-2- شبکه چند لايه
49
3-4-3-3- شبکه هاي پس خور يا برگشتي
51
3-4-4- يادگيري شبکه هاي عصبي مصنوعي
52
3-4-4-1- الگوريتم يادگيري پس از انتشار خطا
54
3-4-5- مدل نزديک ترين همسايه ها
58
فصل چهارم-روش المان محدود
60
4-1- مقدمه
61
4-2- تاريخچه روش عناصر محدود
62
4-3- مراحل اصلي تحليل عناصر محدود
63
4-4- مدل هاي رياضي
64
4-5- روش هاي مهم كلاسيك عددي
64
4-5-1-روش ريتز
64
4-5-1-1- معايب استفاده از روش تحليل ريتز
65
4-5-2- روش گالرکين به عنوان يك روش باقيمانده وزن دار
66
4-5-3- مقايسه روش ريتز و روش گالرکين
67
4-6- حوزه کاربردهاي روش عناصر محدود
68
4-7- فرآيند تحليل عناصر محدود
68
4-8- ملاحظات همگرايي در تحليل عناصر محدود
69
4-9- خطاهاي تحليل عناصر محدود
70
4-10- معيارهاي همگرايي يکنوا
70
4-10-1- معيارهاي همگرايي يکنوا- شرط سازگاري
71
فصل پنجم- نتايج و بحث
72
5-1- مدل سازي سيستم غشايي
73
5-1-1- مدل سازي رياضي
73
5-1-2- هندسه و مش بندي
74
5-1-3- نتايج مدل‌سازي براي سيستم استوانه اي
75
5-2- مدل سازي سازي غشاي نانوفيلتراسيون الياف توخالي
85
5-2-1-1- اثر دبي ورودي
91
5-3- مدل سازي به روش شبکه عصبي
93
5-4- مدل سازي با استفاده از انفيس
97
5-5- مدل سازي به روش نزديک ترين همسايه‌ها
102
فصل ششم-نتيجه گيري و پيشنهادها
108
6-1- نتيجه گيري
108
6-2- پيشنهادات
109
منابع و ماخذ
111

فهرست جدول ها

عنوان
صفحه
جدول 2-1- کاربرد نانوفيلتراسيون در صنايع مختلف
9
جدول 5-1- شرايط خوراک در مدل سازي
88
جدول 5-2- مقايسه دقت محاسبات در نرون هاي مختلف
94
جدول 5-3- ارزيابي دقت مدل براي توابع عضويت مختلف
100

فهرست شکل ها

عنوان
صفحه
شکل 2-1- شمايي از سيستم غشايي الياف توخالي
21
شکل 2-2- غشاي الياف توخالي ، الف: فرض يک استوانه تودرتو براي يک فيبر غشايي
ب: مقطع عرضي واقعي سيستم
23
شکل2-3- سيستم غشايي شامل کانال عبور جريان و غشاي نانوفيلتراسيون
24
شکل3-1 المان اوليه سيستم الياف توخالي براي مدل‌سازي
36
شکل 3-2- اجزاي اصلي يک شبکه عصبي بيولوژيک
40
شکل 3-3- مدل نرون تک ورودي
44
شکل 3-4- توابع مورد استفاده مدل سلول عصبي
47
شکل 3-5- مدل چند ورودي يک نرون
48
شکل 3-6- فرم ساده شده نرون با R ورودي
49
شکل 3-7- شبکه تک لايه با S نرون
50
شکل 3-8- شبکه پيش خور سه لايه
51
شکل 3-9- بلوک تاخير زماني
52
شکل 3-10- شبکه تک لايه برگشتي
53
شکل 5-1- بزرگنمايي قسمتي از مش هاي سيستم
شکل 5-2- شمايي از تغييرات غلظت محوري در کانال
75
76
شکل 5-3- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف کانال
77
شکل 5-4- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف يک مقطع عرضي
78
شکل 5-5- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف يک مقطع طولي
79
شکل 5-6-تغييرات دبي يون کلريد در مقطع شعاعي کانال
80
شکل 5-7- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف غشا
81
شکل 5-8- شمايي از تغييرات غلظت کلريد در نقاط مختلف غشا
82
شکل 5-9- تغييرات درصد جداسازي يون کلريد نسبت به فشار
83
شکل 5-10- تغييرات درصد جداسازي کلريد بر حسب بار سطحي غشا
84
شکل5-11- ارزيابي مدل در مقايسه با سيستم الياف توخالي مشابه
87
شکل 5-12- توزيع دبي در سيستم غشايي الياف توخالي
89
شکل 5-13- توزيع غلظت در جهت شعاعي در غشاي الياف توخالي
90
شکل 5-14- تغييرات غلظت بر حسب فاصله، در مقادير متفاوت دبي ورودي سيال لوله
91
شکل 5-15- تغييرات غلظت بر حسب فاصله، در مقادير متفاوت دبي ورودي سيال پوسته
92
شکل 5-16- مقايسه درصد جداسازي حاصل از مدل‌سازي و مقادير آزمايشگاهي درصد جداسازي
95
شکل 5-17- ساختار انفيس
97
شکل 5-18- ساختار انفيس همراه ورودي و خروجي‌هاي آن
99
شکل 5-19- نتايج مقايسه درصد جداسازي از مدل‌سازي و داده هاي آزمايشگاهي
101
شکل 5-20- مقايسه نتايج مدل‌سازي و داده هاي آزمايشگاهي براي شرايط مختلف غلظت، فشار و pH
105

علائم و نشانه ها

توضيحات
علائم و نشانه ها
واحد
چگالي

سرعت

m/s
فشار
P

نيروي حجمي
F
Kg m2/s
ويسکوزيته

ويسکوزيته موثر

ضريب انتقال جرم جز i

m2/s
دبي انتقال جرم محوري جز i

دبي انتقال جرم شعاعي جز i

غلظت جز i

Mol/m3
سرعت

m/s
پتانسيل الکتريکي

V
ثابت گازها
R

فصل اول

1- مقدمه و مفاهيم اوليه

1-1- مقدمه
فيلتراسيون فرآيندي که طي آن حل‌شونده با عبور از يک محيط يا مانع نيم‌تراوا، به صورت فيزيکي جداساز‌ي مي‌‌گردد. فرآيندهاي غشايي، فرآيندهاي فيلتراسيون پيشرفته‌اي هستند که از خواص جداسازي لايه‌هاي پليمري يا غيرآلي متخلخل بهره مي‌گيرند و در گستره وسيعي از فرآيندهاي صنعتي به منظور جداسازي مولکول‌هاي زيستي، کلوئيدها، يون‌ها، حلال‌ها و همچنين گازها مورد استفاده مي‌باشند. در تعريف IUPAC، نانوفيلتراسيون يک فرآيند جداسازي بر پايه غشا و با نيرو محرکه فشار است، که در آن، ذرات و مولکول‌هاي کوچکتر از 2 نانومتر جدا مي شوند[1]. غشاها مي‌توانند در بيش‌تر فرايندهاي جداسازي به کار روند و فرايندهاي شيميايي از قبيل تقطير، استخراج و جذب را تکميل نمايند و يا جايگزين مناسبي براي آن‌ها باشند.

مزاياي جداسازي غشايي
مصرف انرژي كمتر براي انجام جداسازي
امكان انجام عمليات جداسازي در دماي محيط
سهولت دستيابي به كليه فازهاي جداسازي شده
انجام عمليات جداسازي توسط تجهيزاتي با وزن و حجم كم
نصب و عمليات ساده
حداقل نياز به كنترل، بازرسي، تعمير و نگهداري
عدم نياز به استفاده از مواد شيميايي براي جداسازي و در نتيجه عدم وجود مسائل زيست محيطي
در گذشته بيش ترين کاربرد ميکروفيلتراسيون در صنايع نوشيدني، سترون سازي تجاري سرد براي مصارف دارويي و تامين آب خالص در فرايندهاي نيمه رسانايي بود. تا سال 1960 با وجود درک اصول اساسي غشاهاي مدرن صنايع مهمي در اين زمينه وجود نداشت تا اينکه به تدريج با رفع برخي از معايب آنها نظير قيمت بالا، فرايندهاي کند و زمان‌بر، غير انتخابي بودن و… غشاها از آزمايشگاه به صنعت راه يافتند. غشاها را به چند صورت مي توان طبقه‌بندي کرد[2,3]:

1-1-2- طبقه بندي غشاها
دسته‌بندي بر اساس ماده سازنده:
پليمرهاي آلي، مواد غيرآلي (اکسيدها، سراميک ها و فلزات)، ماتريس هاي هيبريدي يا مواد کامپوزيت
دسته‌بندي بر اساس سطح مقطع غشا:
ايزوتروپيک (متقارن)، ناهمسان (نامتقارن)، دو يا چندلايه اي، لايه نازک کامپوزيت ماتريس هيبريدي
دسته‌بندي بر اساس روش آماده سازي:
جدايش فاز پليمرها، فرايند سل- ژل، واکنش سطحي، کش دهي، اکستروژن، حکاکي
دسته‌بندي بر اساس شکل غشا:
صفحه اي، فيبرتوخالي و کپسول توخالي
اساس فرايندهاي غشايي عبور مواد از ميان صافي است که اين امر توسط يک نيروي رانشي صورت مي‌گيرد. اين رانش در فرايندهاي غشايي به چهار دسته تقسم مي شود و شامل:
الف) اختلاف فشار: در فرايندهاي غشايي ميکروفيلتراسيون، اولترافيلتراسيون، نانوفيلتراسيون و اسمز معکوس
ب) اختلاف پتانسيل الکتريکي : نظير الکترودياليز و الکتروليز غشايي
ج) اختلاف دما
د) اختلاف غلظت
در فرايندهاي غشايي ميکروفيلتراسيون، اولترافيلتراسيون، نانوفيلتراسيون و اسمز معکوس نيروي رانش اختلاف فشار است اما در ساير فرايندهاي غشايي همان‌گونه که اشاره شد، اين نيروي رانشي مي‌تواند متفاوت باشد. دامنه کاربرد و

دیدگاهتان را بنویسید