مدلسازی cfd و ساخت میکرو راکتور برای بررسی بهبود اختلاط در واکنشهای شیمیایی

مخلوط کردن سیالات یکی از موضوعات مهم در صنایع می باشد که دارای کاربردهای بسیار زیادی در فرآیندهای مختلف مهندسی شیمی است. در این پایان نامه، مدلسازی cfd و ساخت میکرو راکتور برای بهبود اختلاط در واکنش های شیمیایی که میزان اختلاط در آن ها دارای اهمیت می باشد، بررسی شده است. سه گونه واکنش شیمیایی در این کار مورد مطالعه قرار گرفتند. در مطالعه ی موردی اول برای ارزیابی میزان اختلاط، واکنش رقابتی-موازی به نام villermaux-dushman بررسی شده است. در این قسمت از روش های افزایش اختلاط از جمله استفاده از امواج فراصوت و سیم پیچ فنری درون میکرو راکتور t شکل نیز استفاده گردید. در این نوع واکنش پارامترهای شامل زمان اختلاط، نرخ پراکندگی انرژی و شاخص تفکیک برای بررسی میزان اختلاط تعریف شد. همچنین نتایج آزمایشگاهی نشان داد استفاده از امواج فراصوت یا سیم پیچ فنری در میکرو راکتور، بهبود اختلاط یا کاهش شاخص تفکیک را به دنبال دارد. اگرچه نتایج بیانگر تأثیر بیشتر امواج فراصوت، باتوجه به انرژی مصرفی کم، در مقایسه با سیم پیچ فنری می باشد. برای برررسی دقیق تر مقادیر افت فشار در هرکدام از میکرو راکتورها بررسی و ضمن مقایسه با هم، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی ( (cfdشبیه سازی جریان و واکنش درون میکرو راکتور صورت گرفته است. تحلیل هیدرودینامیک سیالات تأثیر مناسب اختلاط در نقطه ی برخورد و نیز در اطراف سیم پیچ فنری را نشان می دهد. در مطالعه ی موردی دوم میزان اختلاط در واکنش های سری transesterification در میکرو راکتور t شکل مورد مطالعه قرار گرفت. از آنجا که زمان اختلاط در این نوع واکنش ها بسیار بالا می باشد در این کار سعی شد با استفاده از افزایش شدت اختلاط و کاهش زمان اختلاط و بازده تولید بیودیزل افزایش یابد. همچنین برای بررسی اثر روش بهبود دهنده ی اختلاط، سیم پیچ فنری درون میکرو راکتور قرار داده شد. برای برررسی دما، نسبت مولی متانول به روغن و غلظت کاتالیست به عنوان متغیرهای مورد نظر و درصد خلوص بیودیزل به عنوان تابع هدف انتخاب گردید. با بهینه سازی مقدار کاتالیست، دمای واکنش و نسبت مولی متانول به روغن یک مدل درجه دوم جهت پیش بینی درصد خلوص بیودیزل به صورت تابعی از متغیرها ارائه گردید. نتایج آزمایشگاهی در درصد تبدیل یکسان کاهش زمان اقامت سیال در میکرو راکتور مجهز به سیم پیچ فنری را در مقایسه با میکرو راکتور ساده نشان می دهد. در مطالعه موردی سوم میزان اختلاط در میکرو راکتور y شکل در واکنش های ساده رادیکالی مورد مطالعه قرار گرفت. از آنجا که عمل رنگبری در سیستم های تصفیه آب عملیاتی زمان بر است ، بدین منظور از میکرو راکتور به عنوان یک سیستم پیوسته برای کاهش زمان عملیات رنگبری از طریق افزایش اختلاط استفاده شد. دراین قسمت فرآیند فنتون و ksp بعنوان یکی از روش های فرآیندهای اکسایش پیشرفته مورد استفاده قرار گرفت. همچنین ماده ی رنگی dr16 که در بیشتر پساب های صنعتی بعنوان آلاینده وجود دارد انتخاب و کارایی میکرو راکتور براساس زمان رنگبری و میزان حذف رنگ ارزیابی شد. برای ارزیابی عملکرد میکرو راکتور پارامترهای عملیاتی از جمله ph، غلظت رنگ اولیه، دبی جریان و میزان غلظت اکسنده ها (هیدروژن پراکساید و یون آهن) مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج آزمایشگاهی می توان نقش میکرو راکتور را در کاهش زمان تصفیه پساب را بعنوان شاخصی کلیدی در عملیات تصفیه آب را مشاهده کرد.