ستون های ضربه ای پرشده یکی از دستگاه های مهم مورد استفاده در استخراج مایع- مایع می باشند که به خاطر راندمان بالا و فضای کم مورد نیاز، در صنایع هسته ای،دارویی،پتروشیمی و غذایی کاربرد فراوان یافته اند. در این پروژه با استفاده از یک ستون ضربه ای پرشده با مقیاس نیمه صنعتی، مطالعاتی در زمینه اثر پارامترهای عملیاتی بر روی طغیان در چهار سیستم تولوئن-آب، کروزن-آب، بوتیل استات-آب و نرمال بوتانول-آب صورت گرفت. پارامترهای بررسی شده در آزمایش ها عبارتند از: نوع ضربه، نسبت فاز پراکنده به پیوسته، کشش بین سطحی، شدت ضربه و همچنین اثر جنس پرکن که اثر آنها بر سرعت های طغیان و همچنین میزان موجودی فاز پراکنده در نقطه طغیان مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد که حداکثر ظرفیت ستون با افزایش نسبت فازها و هنگام استفاده از پرکن سرامیکی و همچنین با افزایش شدت ضربه کاهش می یابد. با افزایش کشش بین سطحی سرعت رسیدن به نقطه طغیان افزایش و میزان موجودی فاز پراکنده در نقطه طغیان کاهش می یابد. همچنین هنگام تغییر نوع ضربه و اعمال شدت ضربه های متفاوت هنگام رفت و برگشت مایع به ستون، با افزایش ظرفیت در ستون همراه هستیم. در انتها رابطه ای تجربی برای پیش بینی سرعت طغیان و موجودی فاز پراکنده در نقطه طغیان درون ستون بر اساس خصوصیات فیزیکی سیستم و متغیرهای عملیاتی ارائه گردید. مقایسه داده های تجربی و مقادیر محاسبه شده برای سرعت طغیان و موجودی فاز پراکنده در نقطه طغیان نشان می دهد که این رابطه قادر به پیش بینی خوب داده های تجربی ( با خطای کمتر از 10% ) می باشد.

در این تحقیق، سنتز رزین کی لیت تبادل یونی پلی آمیداکسیم با استفاده از پلی اکریلونیتریل (pan) بر روی نشاسته سیب زمینی مورد بررسی قرار گرفته است. آنالیز طیف سنجی ft-ir به منظور تعیین مشخصات شیمیایی رزین (تشکیل گروه آمیداکسیم) و همچنین آنالیز bet برای تعیین اندازه حفره ها و سطح ویژه آن انجام شد. دما و زمان انجام واکنش در این سنتز به ترتیب c°50 و 90 دقیقه بوده است. در ادامه به بررسی جذب توریم و اورانیم (به عنوان رادیونوکلید) از محلول های آبی در شرایط مختلف ph، زمان، مقدار جاذب و غلظت اولیه توسط رزین پلی آمیداکسیم پرداخته شده است. آزمایش های انجام شده نشان داد که مقدار بهینه جذب برای هر دو عنصر در 3ph= روی می هد و مقدار بهینه جاذب برابر با g/l4/0 است. زمان تعادل جذب برای توریم و اورانیم به ترتیب 3 و 2 ساعت به دست آمد. مدل های ایزوترم جذب مانند لانگمویر، دابینین-رادوشکویچ (d-r)، فروندلیچ و تمکین جهت آنالیز داده های تعادلی در دمای c°25 مورد استفاده قرار گرفته است که در این میان با توجه به خطای گزارش شده، مدل تمکین برای جذب توریم و مدل فروندلیچ برای جذب اورانیم مطابقت بیشتری با داده های تجربی داشتند. همچنین مقدار ظرفیت جذب توریم و اورانیم با استفاده از مدل لانگمویر به ترتیب برابرmg/g 27/227 و 78/434 به دست آمد که گویای بالا بودن توانایی جاذب در جذب این یون ها از محلول های آبی است. همچنین مدل های سینتیکی مختلف ( شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم، الوویچ و مدل نفوذ درون ذره ای) جهت توصیف فرآیند استفاده شدند که مدل مرتبه دوم برای جذب توریم و مدل الوویچ برای جذب اورانیم بیشترین سازگاری را با داده های تجربی داشتند. پارامترهای ترمودینامیکی مثل ?h°، ?g° و ?s° نیز با استفاده از ثوابت تعادل در دماهای مختلف (25، 35، 45و 55 درجه سانتیگراد) محاسبه شدند و مقادیر مثبت ?h° نشان داد که فرآیند جذب برای هر دو یون یک فرآیند فیزیکی و گرماگیر می باشد. این تحقیق نشان می دهد که جاذب سنتز شده قابلیت بسیار خوبی برای حذف یون های رادیونوکلید از پساب های آبی دارد.

در این پروژه توزیع اندازه قطرات در یک ستون استخراج ضربه¬ای دیسک و دونات با قطر 76 میلی متر اندازه¬گیری شده است. به این دلیل که دانش اندازه قطرات از پارامتر¬های اساسی در ستون¬های استخراج است و دارای اهمیت اساسی در طراحی و بررسی عملکرد ستون¬های استخراج مایع-مایع می¬باشد. اندازه قطره بر موجودی فاز پراکنده، زمان اقامت قطرات فاز پراکنده و حداکثر ورودی ستون تأثیر می¬گذارد. علاوه بر این اندازه قطره همراه با موجودی فاز پراکنده، مساحت سطح مشترک برای انتقال جرم را مشخص می¬نماید. همچنین در شرایط عملیاتی واقعی، اغلب یک توزیع از اندازه قطرات وجود دارد که منجر به توزیع سرعت قطرات نسبت به فاز پیوسته و تفاوت نرخ انتقال جرم در ستون می¬گردد. آزمایش¬ها برای سه سیستم آب-تولوئن، آب-بوتیل استات و آب-کروزن انجام شده است. انتخاب این سه سیستم به دلیل پوشش دامنه وسیعی از کشش بین سطحی بین فاز¬ها بوده است. اثر پارامتر¬های عملیاتی شامل شدت ضربه و دبی فاز¬های پراکنده و پیوسته بر توزیع اندازه قطره مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که شدت ضربه دارای یک اثر قابل توجه بر توزیع اندازه قطره در این ستون می¬باشد. دبی فاز¬های پیوسته و پراکنده اثر ناچیزی بر توزیع اندازه قطرات دارد به نحوی که می¬توان از تأثیر آن¬ها چشم¬پوشی کرد. همچنین از دو تابع نرمال و لگ نرمال برای پیش¬بینی توزیع اندازه قطره استفاده شد و روابطی برای پیش¬بینی پارامتر¬های این دو تابع بر-حسب شرایط عملیاتی و خواص فیزیکی سیستم¬ها ارائه گردید. نتایج نشان داد که توافق خوبی بین داده¬های تجربی و روابط ارائه شده وجود دارد. این توابع داده¬های تجربی را به ترتیب با خطای میانگین 5/10 و 5/11 درصد پیش¬بینی می¬نمایند.

کمبود اطلاعات تجربی به ویژه در زمینه ضرایب کلی حجمی انتقال جرم جهت طراحی ستون های استخراج ضربه ای پرشده با استفاده از پرکن های منظم و نامنظم یکی از موارد تحقیقاتی مهم و پیش روی محققین می باشد. استفاده از روابط دیگر محققین در مورد دیگر پرکن های نامنظم که در زمینه ضرایب کلی حجمی انتقال جرم و پارامترهای هیدرودینامیکی ارایه شده است به دلیل داشتن خطاهای بسیار بالا هرگز علمی و منطقی نمی باشد و این منجر به انتشار خطای بیش تر و به دست آوردن نتایج غیر واقعی می-شود. هم چنین در زمینه پرکن های منظم تاکنون رابطه ای جهت محاسبه ضرایب کلی حجمی انتقال جرم و پارامترهای هیدرودینامیکی ارایه نشده است و بیش تر روابط ضرایب کلی حجمی انتقال جرم موجود در منابع علمی مربوط به ستون های ضربه ای سینی دار است. هدف از انجام این تحقیق ارایه روابط تجربی جهت محاسبه ضرایب کلی حجمی انتقال جرم در یک ستون ضربه ای پرشده با در نظر گرفتن تأثیر پارامترهای عملیاتی (شدت ضربه، دبی حجمی فازهای پیوسته و پراکنده)، پارامترهای ساختاری پرکن ها (تخلخل و مساحت سطح ویژه پرکن) و خواص فیزیکی سیستم های مایع - مایع (کشش بین فازی، دانسیته و ویسکوزیته فازهای پیوسته و پراکنده) برای دو نوع پرکن شامل پرکن منظم smv و پرکن نامنظم زین اسبی سرامیکی و با استفاده از دو سیستم شیمیایی مایع - مایع شامل آب/استون/تولوئن با کشش بین فازی زیاد و سیستم آب/استون/بوتیل استات با کشش بین فازی متوسط می باشد که با استفاده از مدل پراکندگی محوری ضرایب کلی حجمی انتقال جرم فاز پیوسته محاسبه و روابط تجربی قابل قبولی ارایه گردیده است. لازم به ذکر است که تاکنون هیچ گونه گزارش علمی در زمینه ضرایب کلی حجمی انتقال جرم برای پرکن های فوق ارایه نشده است. هم چنین اثر پارامترهای عملیاتی شامل شدت ضربه، دبی فازهای پیوسته و پراکنده و نیز اثر نوع پرکن و کشش بین فازی بر موجودی فاز پراکنده و ضرایب کلی حجمی انتقال جرم فاز پیوسته مورد بررسی قرار گرفته است. دامنه تغییر مقادیر پارامترهای عملیاتی فوق به ترتیب برای شدت ضربه بین (cm/s)1 تا (cm/s)3، دبی فاز آبی بین (lit/hr)8 تا (lit/hr)25 و برای دبی فاز آلی بین (lit/hr)10 تا (lit/hr)25 می باشد. بر اساس نتایج به دست آمده مقدار موجودی فاز پراکنده برای پرکن منظم فلزی smv بین 2% تا 6% و برای پرکن نامنظم زین اسبی سرامیکی بین 4% تا20% تغییر می کند. هم چنین ضرایب کلی حجمی انتقال جرم فاز پیوسته برای پرکن منظم فلزی smv به ترتیب برای سیستم آب/استون/تولوئن بین (s-1)4-10×62/1 تا (s-1)4-10×5 و برای سیستم آب/استون/بوتیل استات بین (s-1)4-10×11/1 تا (s-1)4-10×75/2 و برای پرکن نامنظم زین اسبی سرامیکی به ترتیب برای سیستم آب/استون/تولوئن بین (s-1)4-10×09/4 تا (s-1)4-10×73/8 و برای سیستم آب/استون/بوتیل استات بین (s-1)4-10×87/1 تا (s-1)4-10×70/6 تغییر می کند. بر اساس نتایج به دست آمده افزایش شدت ضربه و دبی ها منجر به افزایش موجودی فاز پراکنده و ضرایب کلی حجمی انتقال جرم فاز پیوسته برای هر دو سیستم و هر دو نوع پرکن خواهد شد. نتایج نشان می دهد در شرایط عملیاتی یکسان پرکن نامنظم زین اسبی سرامیکی با میزان تخلخل کم تر دارای موجودی فاز پراکنده و ضرایب کلی حجمی انتقال جرم بیش تر می باشد. هم چنین برای سیستم با کشش بین فازی زیاد نسبت به سیستم با کشش بین فازی متوسط در شرایط عملیاتی یکسان برای هر دو نوع پرکن موجودی فاز پراکنده کم تر و ضرایب کلی حجمی انتقال جرم بیش تر است. بررسی و مقایسه روند تغییر مقادیر موجودی فاز پراکنده و ضرایب کلی حجمی انتقال جرم در این کار تحقیقاتی با نتایج علمی دیگر محققین در زمینه ستون های ضربه ای پرشده توافق خوبی را نشان می دهد. در پایان روابط تجربی مناسب و قابل قبولی بر اساس روش کم ترین مجموع مربعات جهت پیش بینی ضرایب کلی حجمی انتقال جرم بر اساس تابعی از گروه های بدون بعد ارایه شده است. از مقایسه نتایج پیش بینی شده از روابط فوق با نتایج تجربی به دست آمده از این پژوهش علمی به ترتیب برای پرکن زین اسبی سرامیکی خطای نسبی مطلق میانگین برابر 7/18% و برای پرکن منظم smv برابر 1/19% است که این مطابقت خوبی را میان نتایج تجربی و روابط ارایه شده بیان می کند.

در سیستم های مایع – مایع- جریان فاز پراکنده به صورت حرکت توده قطرات از میان فاز پیوسته انجام می گیرد. دانستن نحوه پراکندگی این فاز در جریان سیال برای مدل سازی هیدرودینامیکی و انتقال جرم دارای اهمیت است و عوامل مختلف هندسی و عملیاتی در سیستم های مایع- مایع بر روی این پراکندگی تاثیر می گذارند. از این رو این مطالعه انجام شده است تا تاثیر انواع آکنه را در توزیع اندازه قطره در ستون ضربه ای پر شده بررسی کند. در بخش آزمایشگاهی پروژه، دو نوع متفاوت ستون ضربه ای و سه نوع آکنه (زین اسبیcm 1/25،حلقه های راشیگ cm 1/25 و cm 0/625) مورد مطالعه قرار گرفت. به علاوه از سه سیستم مایع-مایع شامل بوتیل استات-آب، تولوئن-آب و کروزن-آب استفاده شد.که این سیستم ها طیف گسترده ای از کشش بین فازی را پوشش می دهند. همچنین اثر پارامترهای عملیاتی شدت ضربه و شدت جریان حجمی فازهای پیوسته و پراکنده بررسی شدند. شدت ضربه، کشش بین فازی و شکل آکنه مهم ترین فاکتورهای اثر گذار بر روی توزیع اندازه قطره بودند. در حالی که شدت جریان حجمی فازهای پیوسته و پراکنده کم ترین تاثیر را داشتند. . اثرات انوع آکنه در شرایط آزمایش یکسان مطالعه شددر بخش دیگر این تحقیق، مدل سازی ریاضی برای محاسبه توزیع اندازه قطره و قطر قطره در سه بخش صورت گرفت. در مدل اول از آنالیز ابعادی استفاده شد و رابطه ای برای قطر قطره بر حسب کشش بین فازی، دانسیته فاز مایع و نرخ تلفات انرژی به دست آمد. سپس برای محاسبه تلفات انرژی یک مدل حل به کمک روابط افت فشار ارائه گردید که در نهایت با حل این معادلات و حل تابع توزیع نرمال، قطر متوسط قطره و توزیع اندازه قطره محاسبه شد. در قسمت دوم مدل سازی از تابع انتروپی شانون استفاده شد. این تابع بیان می کند که تنها یک منحنی است که بیشترین مقدار انتروپی را ارائه می کند این منحنی نسبت به سایر منحنی های توزیع اندازه قطره، نزدیک ترین حالت به داده های تجربی را محاسبه می کند. در این روش برای حل انتروپی یکسری قیود بر حسب اندازه قطر قطره و مجموع دانسیته عددی توزیع قطره معرفی شد که در نهایت با محاسبات آماری این مجموعه معادلات، توزیع اندازه قطره به دست می آید. و در نهایت در روش سوم از موازنه جمعیتی استفاده شد. در این قسمت با توجه به این که موجودی فاز پراکنده در آزمایشات پایین بود، از ترم به هم پیوستن صرف نظر گردید. روابطی برای ترم شکست در ستون های ضربه ای مدل سازی شد و در نهایت با حل مجموعه معادلات موازنه جمعیتی توزیع اندازه قطره با دقت بالایی محاسبه گردید.