صمغ زانتان یک پلی ساکارید با منبع میکروبی است و با کشت میکرواورگانیسم زانتوموناس کمپستریس تشکیل می شود. این صمغ دارای کاربردهای فروانی در بازیافت نفت داروسازی و صنایع غذایی بهعنوان سیال ویسکوز می باشد. مشکل اصلی فرایند ناپیوسته گرانروی بالای محیط کشت بدلیل حضور زانتان است. برای تولید و جداسازی پوسته این صمغ فرایندی سه مرحله ای پیشنهاد شد. در مرحله دوم پس از تولید در بیورآکتور بخشی اززانتان بوسیله میکروفیلتراسیون و در مرحله سوم محیط کشت بوسییله اولترافیلتر از جریان محصول جدا می گردد. بدین ترتیب با افزایش غلظت زانتان در مسیر خروجی میزان الکل مصرفی در پایین دستی برای ترسیب زانتان کاهش می یابد. همچنین بدلیل بازگشت محیط کشت و میکررواورگانیسم ها به داخل بیوآکتور هزینه تهیه آنها نیز در مجموعه حفظ می گردد. در این تحقیق مراحل اول و دوم این فرایند مورد بررسی قرار گرفت. می توان گفت اثر غلظت اولیه زانتان در خوراک میکروفیلتر در فشارهای بالا چندان قابل مشاهده نیست. غلظت خاصی از زانتان در خوراک میکروفیلتر در فشارهای بالا چندان قابل مشاهده نیست. غلظت خاصی از زانتان وجود دارد که حداقل میزان جریان نفوذی و درصد جداسازی را داراست. افزایش جریان حجمی و اختلاف فشار دو سمت فیلتر به افزایش جریان نفوذی کمک می کند. کاهش فشار و افزایش جریان حجمی باعث افزایش درصد جداسازی می شود. در کشت میکروبی ا بیوآکتور در شرایط پیوسته غلظت زانتان تا 9،9 گرم برلیتر و غلظت باکتری تا 1،8 گرم بر لیتر بدست آمد. میزان بیشینه بازده برای زانتان به گلوکز 1،47 و برای باکتری به نیتروژن 2،124 گرم بر گرم تعیین شد. نرخ رشد ویژه برابر 0،12 بر ساعت و قابلیت تولید در واحد سطح میکروفیلتر در بازده 3 تا 94 گرم بر ساعت بر متر مربع ارایه شد. سطح حداقل فیلتر برای برابری قابلیت تولید سامانه میکروفیلتر در قیاس با بدون آن برابر 0،223 متر مربع است. مدلی مناسب برای بررسی فرایند ناپیوسته صمغ زانتان ارایه گردید که مجموع مربعات خطا برای پیش بینی غلظت ها برمبنای گرم بر لیتر تقسیم بر تعداد نقاط تجربی برابر 0،0059 برای سلول و 0،782 برای زانتان بدست آمد.

هایلورونیک اسید (ha) یک پلی ساکارید غیر منشعب (خطی) است که در مایع سینوویال مفاصل، مایع زجاجیه چشم، غضروف و بافت همبند مهره داران به مقدار قابل ملاحظه ای یافت می شود، ha در پزشکی، در تهیه قطره های چشمی، مواد آرایشی و محصولات غذایی کاربرد دارد. محدوده عملی فرمنتاسیون (5-1g/l) ha به آسانی در کشت ناپیوسته و نیمه پیوسته استاندارد طی یک دوره 16-6 ساعته بدست می آید. اما تولید ha در کشت های مداوم، بجز در سرعتهای رقیق سازی پائین به راحتی بدست نمی آید بنابراین کشت مداوم قابلیت نسبتا کمی در تولید ha دارد. در این تحقیق شبیه سازی تولید هایلورونیک اسید (ha) توسط باکتری استرپتوکوکوس زواپیدمیکوس به سه روش ناپیوسته، نیمه پیوسته و پیوسته هم در حالت هوازی و هم غیر هوازی مورد مطالعه قرار گرفت. در هر سه حالت ابتدا معادلات مدل فرآیند نوشته شد و سپس یک برنامه بهینه ساز برای محاسبه پارامترهای مدل نوشته شد. بهینه سازی بر اساس روش الگوریتم ژنتیک برای حداقل کردن تابع هدف (مجموع مربعات خطا) انجام شد. در سیستم ناپیوسته هوازی مدل مونود برای سینتیک رشد میکروبی انتخاب و پارامترهای مدل فرآیند جهت مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های آزمایشگاهی برای غلظتهای اولیه 20 و 40 گرم بر لیتر گلوکز محاسبه شدند. در سیستم ناپیوسته بی هوازی مدل مونود نتوانست رفتار فاز سکون برای جرم سلولی را پیش بینی کند و مدل هالدان برای سینتیک رشد میکروبی در نظر گرفته شد. در سیستم نیمه پیوسته، در حالت هوازی به علت عدم وجود داده های تجربی برای محاسبه پارامترهای مدل فرآیند با فرض حجم ثابت، از متوسط پارامترهای بدست آمده برای مدل فرآیند در حالت ناپیوسته جهت شبیه سازی استفاده شد. در حالت نیمه پیوسته بی هوازی مدل مونود انتخاب، و پس از بدست آوردن معادله خط خوراک دهی، پارامترهای مدل فرآیند محاسبه و نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی مقایسه شدند، در این حالت مقدار خطا 46? کمتر از خطای حاصل از مدلسازی ساخت یافته انجام شده توسط جونز و همکارانش بود. در سیستم پیوسته نیز پارامترهای مدل فرآیند شامل مقادیر بازده، ضریب ترمیم و نگهداری و پارامترهای مدل رشد محاسبه و خطای حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی 1178/0 بدست آمد.

طی سالهای گذشته تحقیقات بسیاری در زمینه مدلسازی راکتورهای بستر ثابت چه به صورت همگن و چه به صورت شبه همگن انجام شده است. اما مدلسازی راکتور فرایند تبدیل گاز سنتز به مایع چندان مورد بررسی قرار نگرفته است از آنجا که این فرایند به دلیل تولید هیدروکربنهای باارزش از جمله بنزین و گازوییل بسیار مورد توجه است از این رو اهمیت مطالعه و بررسی بیشتر در مدلسازی راکتورهای آن با توجه به کمبود منابع سوختی مشهود می باشد.در فصل اول این کار ابتدا به معرفی فرایند تبدیل گاز به مایع و به دنبال آن فرآیند فیشر تروپش پرداخته شده است سپس به بررسی غیرفعال شدن کاتالیست و مکانیسمهای آن اشاره شده است و در پایان فصل نیز مروری بر کارهای مطالعاتی روی غیرفعال شدن کاتالیست در فرایند فیشر تروپش شده است در فصل دوم درباره مدلسازی راکتور بستر ثابت و انواع آن صحبت شده است و در ادامه درباره مدل راکتور فیشر تروپش بحث شده است. در فصل سوم به آزمایشات انجام شده برای مطالعات سینتیک غیرفعال شدن پرداخته شده است. فصل چهار به شبیه سازی انجام شده در کار حاضر و نتایج حاصل از آن و به دست آوردن مدل غیرفعال شدن می پردازد.

هدف از انجام این پروژه شبیه سازی پدیده های انتقال مومنتسوم و حرارت در راکتور بستر قطره ای هیدروکراکینگ واحد آیزوماکس به فطر 3.6 متر و ارتفاع 17.4 متری می باشد. برای اعمال نیروی درگ و فعل و انفعال ناشی از حضور فازهای مایع، جامد و گاز بطور همزمان در بسترهای موجود در این راکتور از راهکار و مفهوم محیط متخلخل برای حضور فاز جامد استفاده شده است و همچنین برای اعمال فازهای مایع و گاز بطور همزمان و نیز تاثیر یک فاز بر روی توانایی جریان داشتن فاز دیگر از مفهوم نفوذ پذیری نسبی استفاده شده است. در ادامه و با در نظر گرفتن تغییرات خواص فیزیکی برش های نفتی با دما به ویژه ویسکوزیته، تغییرات آن با دما در نظر گرفته شد و با استفاده از آن، پدیده های هیدرودینامیکی و حرارتی در راکتور مذکور با در نظر گرفتن ابعاد واقعی راکتور به کمک نرم افزار fluent 6.3 شبیه سازی شده است. رابطه درگ و نیز تغییرات ویسکوزیته با استفاده از کد udf در نرم افزار تعریف شد. نتایج حاصل از این شبیه سازی که بیان کننده مشکلات عملیاتی راکتور صنعتی از قبیل نقطه داغ، محدودیت دبی ورودی، عدم توزیع شعاعی دما و ایجاد حالت کانالیزه جریان است، با آنچه در واحد پالایشگاهی و در واقعیت وجود دارد، مطابقت دارد بطوریکه در یکی از بسترهای کاتالیستی به دلیل دمای بالای حاصل از واکنش نقاط داغ زیادی ایجاد می گردد و دما به حدود 1080 درجه کلوین می رسد که به مرور باعث غیر فعال شدن کاتالیست ها در حدود 4.1 بار افت فشار روی می دهد که نتایج حاصل از شبیه سازی در این حالت نیز با داده های صنعتی مطابقت دارد و خطا در حدود 2% است که احتمالا به دلیل دزر نظر گرفتن تشکیل کک در مدل است. همچنین مقدار عددی دمای ورودی و خروجی از راکتور که با cfd محاسبه شد با داده های پالایشگاهی برابر است و در چند دهم با هم اختلاف دارند. از طرفی توزیع مناسب جریان در بسترهای کاتالیستی دیده نمی شود و حالت کنالیزه جریان وجود دارد. از اینرو برای رفع مشکلات راهکارهایی ارائه و تاثیر آن نیز بررسی شده است. نتایج حاصل از این راهکارها نشان می دهد که دمای بستر خوبی کنترل شده و توزیع دمایی مناسبی در بستر ایجاد می گردد. از طرفی حالت کانالیزه شدن جریان هم بخوبی کنترل شده و توزیع جریان در بسترهای کاتالیستی بهبود پیدا کرد.

در فرآیند بایر، انحلال بوکسیت دیاسپری در دمای بالا و در مجاورت آهک و محلول سود کاستیک صورت می گیرد. در این فرآیند، علاوه بر انحلال آلومینا، ترکیبات دیگری مانند کربنات و اگزالات نیز به آن وارد می شود. غلظت این مواد به تدریج افزایش یافته و موجب بروز برخی مشکلات در فرآیند پالایش آلومینا می گردد. این تحقیق سعی دارد با استفاده از حرارت دهی بوکسیت ورودی به فرآیند و نیز انجام حذف کربنات و اگزالات به روش شیمیایی با استفاده از ترکیبات افزودنی، آلودگی محلول آلومینات سدیم را کاهش دهد. حرارت دهی بوکسیت موجب می شود ترکیبات آلی و کانی های کربناته منیزیت و کلسیت به صورت co2 خارج و بدین ترتیب از ورود این مواد به محلول آلومینات سدیم جلوگیری به عمل آید. در حذف شیمیایی کربنات و اگزالات سدیم محلول در محلول آلومینات سدیم به طور جداگانه از آلومینات باریم با ساختارهای ba2al2o5، ba2al4(oh)16 و baal2o4، آلومینات کلسیم (ca3al2(oh)12) و فسفات سدیم (na3po4)و آهک به همراه آهک استفاده شد که در نتیجه این واکنش ها، این مواد به ترتیب به صورت کربنات یا اگزالات باریم، کلسیم و آپاتیت رسوب نموده و سود نیز به صورت آلومینات یا هیدروکسید سدیم بازیابی گردید. بررسی اثر دما، زمان، غلظت سود کاستیک، al2o3 و کربنات سدیم نشان داد، استفاده از آلومینات باریم با ساختار ba2al4(oh)16، در حذف کربنات و روش های حرارت دهی بوکسیت در حذف اگزالات بیشترین راندمان را دارند.

قلب واحدهای تولید سیمان، کوره های دوار است که در آن کلینکر ایجاد می گردد. البته استفاده از کوره های دوار خاص کارخانه سیمان نیست و در بسیاری از صنایع شیمیایی از جمله پخت آهک ، کلسیناسیون کک نفت خام و خاکسترسازی زباله و ... مورد استفاده قرار می گیرد. در همه موارد استفاده از کوره دوار سعی در کنترل کوره در حالت بهینه است و این ممکن نیست مگر اینکه با شناختی دقیق از پدیده هایی که در کوره اتفاق می افتد، بتوان روابط بین متغیرهای سیستم را به طور ریاضی بیان نمود. در پی این هدف ، از معادلات مربوط به موازانه جرم و انرژی، انتقال مواد، سرعت واکنشها و رابط مربوط به پارامترهای متغیر در کوره نظیر سطح مقطع و سرعت جامد و گاز در کوره، ضرایب انتقال حرارت تشعشعی و ... برای مدلسازی دینامیکی کوره دوار استفاده شد و مدل نسبتا جامعی برای کوره ارائه شد و از آنجائیکه کوره دوار در ارتباط مستقیم با پیش گرمکن و کولر می باشد اثرات این دو سیستم نیز در مدل در نظر گرفته شده است . نتایج حاصل از شبیه سازی نشان دادند که مدل ارائه شده قادر است بطور دینامیکی پدیده های مختلف موجود در سیستم را بخوبی توجیه کند. در نهایت نیز دو پارامتر مهم درجه حرارت ناحیه پخت و گاز خروجی با استفاده از متغیرهای دستکاری شونده جرمی جامد و سوخت ورودی با استفاده از کنترلرها پس خور کنترل شد، البته با توجه به پیچیدگی بسیار زیاد سیستم پخت سیمان بهتر است از کنترلرهای هوشمند برای کنترل استفاده نمود که از حوصله این پروژه خارج است .

با توجه به اهمیتی که کنترلر های قابل برنامه ریزی در صنعت امروز دارند، در این پروژه به عنوان نمونه دمای خروجی از سیستم ساده مبدل حرارتی صفحه ای با استفاده از کامپیوتر کنترل شده است.در آغاز مداراهای رابط بین کامپیوتر و فرآیند ساخته شده و نرم افزاری نیز برای ارتباط نوشته شده است. سپس برنامه های مختلف با استفاده از زبان ‏‎c++‎‏ برای اجرای الگوریتم های مختلف طراحی و اجرا شده است.مبدل حرارتی شبیه سازی شده و با استفاده از آن پاسخ حلقه باز مدل بدست آمده و با مبدل مقایسه شده است. در این راستا با توجه به پاسخ سیستم واقعی قدم به قدم مدل اصلاح شده است. تا به مدلی حقیقی و قابل قبول برای مبدل حرارتی صفحه ای دست یافته ایم. سپس از این مدل بجای سیستم واقعی در محیط شبیه سازی استفاده شده است.کنترلرهای مختلف در این محیط آزمایش، طراحی و اجرا گردیده است. با استفاده از این قابلیت بدون صرف هزینه ای و با زمان کمتری شرایط مختلف شبیه سازی و آزمایش می شود.روی دستگاه مبدل حرارتی سیستم های حلقه باز و حلقه بسته مختلف طراحی، برنامه نویسی و اجرا شده اند. دو حلقه کنترل با الگوریتم ‏‎pid‎‏ بطور همزمان طراحی و اجرا شده است. همچنین با استفاده از برنامه پذیر بودن کنترلر براحتی برنامه هائی برای از بین بردن و یا کاهش برهمکنش بین حلقه های کنترل نوشته، طراحی و اجرا گردیده است. تئوری پیشرفته کنترلر ‏‎gmc‎‏ که از مدل غیرخطی فرایند برای کنترل استفاده می کند تحلیل، بررسی و اجرا شده است و با کنترلر ‏‎pi‎‏ مقایسه شده است.در گذشته برای کنترل سیستم های مختلف از کنترلر پس خورنیوماتیکی و الکترونیکی استفاده می شده است. این کنترلرها دارای قابلیتهائی ثابت می باشند. امروزه که از کنترلرهای قابل برنامه ریزی استفاده می شود. علاوه بر اینکه تنها با استفاده از یک کامپیوتر الگوریتم های مختلف کنترل را براحتی می توانیم طراحی و اجرا نمائیم، هزینه ای را برای کنترلرهای مختلف صرف نمی کنیم.

اوره بوسیله واکنش مایع آمونیاک و گاز دی اکسید کربن طی دو مرحله تولید می شود. در اولین واکنش دی اکسید کربن و آمونیاک به آمونیوم کربامات تبدیل می شود که این واکنش سریع و گرمازا است. در واکنش دوم که هم آهسته و هم گرماگیر است آمونیوم کربامات به اوره و آب تبدیل می شود. در راکتور دو فازی تولید اوره (با جریان همسو)، اثر برگشت جریان ‏‎(back-mixing)‎‏ همانند دیگر پدیده ها (انتقال جرم و انرژی بین دو فاز و سینتیک شیمیایی) با اهمیت می باشد. جهت کنترل برگشت جریان از سینی های سوراخدار در راکتور استفاده می شود. گاز خروجی از سینی ها بصورت حباب درمی آید. محاسبه اندازه حبابها جهت تخمین سطح موثر انتقال جرم بین دو فاز لازم می باشد. در این پروژه، با استفاده از نرم افزار ‏‎matlab‎‏ و روابط ترمودینامیکی، مکانیک سیالات، سینتیک و معادلات جرم و انرژی، شبیه سازی دینامیکی راکتور صنعتی تولید اوره انجام گرفته است. با استفاده از برنامه کامپیوتری شبیه سازی راکتور، می توان اثر تغییر پارامترهای مختلف ورودی (دما، فشار، دبی جرمی مایع، دبی جرمی گاز و درصد مولی مولفه ها در فاز گاز و مایع) را در پارامترهای خروجی از راکتور پیش بینی کرد.

در این پروژه یک ستون تقطیر آکنده با استفاده از نرم افزار ‏‎simulink‎‏ شبیه سازی شده است و با نصب الگوریتمهای کنترلی مختلف بر روی مدل، ویژگیها و کیفیت هر یک مورد بررسی قرار گرفته است. با وجود تعداد زیاد فرضیات، پاسخهای بدست آمده از این شبیه سازی در توافق نسبتا خوب با مقادیر تجربی میباشند. در این شبیه سازی اثر پارامترهای مختلف بر روی کیفیت کنترل مورد بررسی قرار گرفته است، سپس ستون تقطیر موجود در آزماشگاه عملایت واحد با استفاده از نرم افزار ‏‎genie‎‏ بصورت کامپیوتری کنترل شده است و کنترلرهای مختلفی مانند ‏‎on-off, p, pi, gmc‎‏ بدین منظور مورد استفاده قرار گرفته اند و نتایج بدست آمده از این الگوریتمها با یکدیگر مقایسه شده اند.

فرایند سیال سازی یک عملیات واحد است که در آن بستر پر شده از ذرات جامد که به وسیله یک صفحه پخش کننده حمایت شده است، در اثر عبور یک سیال که می تواند گاز، مایع و یا گاز - مایع باشد، با یک سرعتی بالاتر از سرعت حداقل سیالیت رفتار سیال گونه پیدا می کند. ویژگیهای مناسب سیستم بستر سیال شامل امکان کنترل دقیق دما، انتقال خوب حرارت، ایمنی بالا و عدم محدودیت در اندازه باعث شده است که این تکنیک به طور وسیعی در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرد که از آن جمله می توان به استفاده از این تکنیک در راکتورهای کاتالیستی اشاره کرد. یکی از کاربردهای صنعتی راکتورهای کاتالیستی بستر سیال تولید انیدرید مالئیک از طریق اکسیداسیون هیدروکربنهای ‏‎c4‎‏ در مجاورت کاتالیزور ‏‎vpo‎‏ است. انیدرید مالئیک یکی از مواد مهم میانی صنایع شیمیایی بوده که به طور وسیعی در ساخت آلکید رزینها، فایبر گلاس، پلاستیکهای تقویت شده و ... کاربرد دارد. در ساخت پایلوت راکتور بستر سیال به علت جلوگیری از ایجاد نواحی مرده توسط ذرات کاتالیزور و پخش خوب گاز از پخش کننده های منفذدار و جهت جداسازی ذرات کاتالیزور از جریان گاز خروجی از راکتور از سیکلونهای با راندمان جداسازی بالا استفاده شده است. سنتز انیدرید مالئیک از خوراک شامل 1% حجمی گاز 1- بوتن در راکتور بستر سیال در دماهای مختلف بستر کاتالیستی و در سرعتهای مختلف جریان خوراک ورودی به بستر بررسی شده است. بیشترین میزان گزینش پذیری و بهره واکنش نسبت به تولید انیدرید مالئیک در دمای بستر حدود 390 درجه سانتیگراد و در سرعت خوراک ورودی حدود ‏‎u=3umf‎‏ ملاحظه گردید. در بهترین شرایط عملیاتی مقدار گزینش پذیری در حدود 30% برای تولید انیدرید مالئیک به دست آمد.مقایسه مقادیر اندازه گیری شده میزان تبدیل 1- بوتن و گزینش پذیرش واکنش نسبت به تولید انیدرید مالئیک با مقادیر پیش بینی شده توسط مدلهای استفاده شده در مدلسازی راکتور بستر سیال نشان داد که مدل ‏‎grace, k& l‎‏ نسبت به سایر مدلها پیش بینی بهتری از عملکرد راکتور بستر سیال کاتالیستی دارند که این امر به علت استفاده از فرضیاتی است که چندان دور از واقعیت نبوده و تصویر درستی از فرایندهای فیزیکی و شیمیایی روی داده در راکتور بستر سیال کاتالیستی از خود نشان می دهند.