چکیده اختلاط در بسیاری از فرآیندهای مهندسی شیمی نقش بسیار مهمی دارد. بنابراین بررسی این فرآیند و تقابل آن با واکنش های شیمیایی یکی از موضوعات جذاب در مهندسی شیمی می باشد. در این پایان نامه مدل سازی فرآیند اختلاط و اختلاط همراه با واکنش شیمیایی با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) به عنوان یک روش مدل سازی و توموگرافی فرایندی به عنوان یک روش آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این تحقیق، روش جدید توموگرافی فرایندی که قادر است تغییرات خاصیت مورد نظر را در یک سطح بررسی کند معرفی و بکار گرفته شده است. این پایان نامه شامل سه مطالعه موردی می باشد که دو مطالعه موردی آن در قالب طرح های صنعتی انجام شده اند. در ابتدا مروری جامع بر مطالعات انجام شده در زمینه اختلاط، اختلاط همراه با واکنش شیمیایی و همچنین توموگرافی فرآیندی صورت گرفته است و فرآیند های اختلاط و واکنش شیمیایی از دیدگاه تئوری مورد مطالعه قرار گرفته و روش های مدل سازی این فرآیند ها در مقیاس های مختلف، به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته اند. پس از معرفی روش نوین توموگرافی فرآیندی، اساس و پایه ها و همچنین کاربرد های متنوع شاخه های مختلف این روش معرفی شده اند. با توجه به اینکه در این پایان نامه از توموگرافی مقاومت الکتریکی در مطالعه فرآیندهایی که دارای تغییرات هدایت الکتریکی هستند استفاده شده است، این روش به طور کامل بررسی شده و یک سیستم توموگرافی مقاومت الکتریکی(ert) 8 الکترودی طراحی و ساخته شده است و آزمایشات اولیه برای ارزیابی دقت سیستم مورد نظر بر روی آن صورت گرفته است. مطالعه موردی اول که مربوط به مدل سازی cfd اختلاط همراه با واکنش شیمیایی می باشد در قالب یک طرح صنعتی جهت خنثی سازی پساب بازی خروجی از نیروگاه بیستون کرمانشاه انجام شد. در این پروژه صنعتی تلاش شده است که مشکل زیست محیطی مربوط به این پساب بازی با خنثی سازی آن توسط تزریق اسید در ورودی مخزن و ایجاد اختلاط مناسب در داخل مخزن حل گردد. برای دستیابی به این هدف، مدل سازی اختلاط توسط جت سیال در مقیاس پایلوت و واقعی انجام شد. در مطالعات آزمایشگاهی و مدل سازی، هفت موقعیت مختلف برای نازل جت به گونه ای در نظر گرفته شد که کل مخزن را پوشش دهند. در آخر، با توجه به اطلاعات آزمایشگاهی و نتایج مدل سازی، بهترین موقعیت جهت بدست آوردن اختلاط مناسب و خنثی سازی پساب معرفی شد و پیشنهاد جهت پیاده سازی عملی سیستم اختلاط مناسب برای حل مشکل موجود ارائه گردید. در مطالعه موردی دوم، سیستم توموگرافی مقاومت الکتریکی ساخته شده برای مطالعه جریان های دوفازی در لوله های افقی و عمودی بکار گرفته شد. برای هرکدام از لوله های افقی و عمودی، سه رژیم مشهور جریان دوفازی توسط روش cfd مدل سازی شده و نتایج مربوط به مدل سازی به صورت کانتورهای فاز با تصاویر بازیابی شده حاصل از سیستم ert و همچنین تصاویر ثبت شده توسط دوربین دیجیتال هنگام انجام آزمایشات مورد مقایسه قرار گرفت. تطابق کیفی بسیار خوبی بین نتایج مدل سازی و هر دو دسته از تصاویرآزمایشگاهی مشاهده شد. در مطالعه موردی آخر، سیستم اختلاط همراه با واکنش شیمیایی در یک ظرف همزده با استفاده از مدل سازی cfd و توموگرافی مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به اینکه هدف استفاده از سیستم ert بوده است در این قسمت یک واکنش تشکیل رسوب در نظر گرفته شده که در طول انجام واکنش هدایت الکتریکی محلول تغییر می کند. با توجه به اینکه واکنش مورد نظر بسیار سریع می باشد، دقت سیستم توموگرافی 8 الکترودی برای انجام آزمایشات کافی نبوده و یک سیستم توموگرافی 16 الکترودی طراحی و ساخته شد. اثر پارامترهای همچون سرعت تزریق و سرعت همزدن بر روی نحوه پیشرفت واکنش مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تطابق کیفی خوبی بین نتایج پیش بینی مدل سازی cfd و تصاویر بازیابی شده حاصل از سیستم توموگرافی را نشان می دهد. نتایج کلی پایان نامه نشان می دهد که مدل سازی cfd می تواند برای مطالعه فرآیندهای اختلاط و اختلاط همراه با واکنش که دارای نقش بسیار مهمی در عملیات صنعتی و فرآیندی مربوط به صنایع شیمیایی می باشد بکار گرفته شود. همچنین توموگرافی فرآیندی نیز می تواند به عنوان یک ابزار آزمایشگاهی برای توصیف رفتار فرآیند در یک سطح (و یا یک حجم) مورد استفاده قرار گیرد که دارای ارجحیت فراوانی نسبت به بقیه روش های آزمایشگاهی که فقط قادرند تغییرات را در یک یا چند نقطه ثبت کنند می باشد. در پایان، پیشنهادات برای انجام تحقیقات دیگر در این زمینه ارائه شده است.

تکنولوژی التراسونیک می تواند به عنوان یک روش نوین به تنهایی و یا بصورت ترکیبی در کنار سایر روش های متداول در فرآیندهایی مانند تهیه امولسیون، تبلور، استخراج، فرآیندهای جداسازی و تصفیه پساب و فرآیندهایی شامل واکنش های شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. تأثیری که التراسونیک در فرآیندهای مختلف می تواند داشته باشد بدلیل قابلیت آن در ایجاد پدیده ای تحت عنوان کاویتاسیون می باشد که به موجب آن اثرات شیمیایی و مکانیکی در سیال بوجود می آورد. یکی از مهمترین پدیده های حاصل از انتشار التراسونیک بوجود آمدن میکرو جریان ها و میکرو جت های صوتی در سیال است که اثر مستقیم پدیده کاویتاسیون صوتی می باشد. از آنجا که التراسونیک با فرکانس بالا در حد مگاهرتز قابلیت ایجاد جریان های صوتی جابجایی را در کنار میکروجریان ها دارند می توانند در فرآیندهایی که اختلاط و پدیده های انتقال مانند انتقال جرم از اهمیت برخوردار است، استفاده گردند. در این تحقیق تأثیر جریان های صوتی و میکرو جریان های حاصل از انتشار امواج التراسونیک فرکانس بالا مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور ابتدا برای روشن ساختن اثر میکرو جریان ها بر لایه های مرزی مطالعه ای در زمینه تأثیر فعالیت مبدل های پیزوالکتریک با فرکانس mhz 7/1 در یک فرآیند جداسازی الکترودیالیز انجام گرفت. مشاهده شد که ویژگی های اساسی این فرآیند از جمله مقاومت الکتریکی غشا، پتانسیل و انتخاب پذیری آن در حضور التراسونیک بهبود یافت. در بخش دیگری از این تحقیق به بررسی اثر جریان های ایجاد شده بر بازده اختلاط میکرو پرداخته شد. دو سونوراکتور ناپیوسته و پیوسته مجهز به مبدل های پیزوالکتریک mhz 7/1 با آرایش و ترکیب بندی جدید طراحی و ساخته شد. جهت ارزیابی اختلاط میکرو در آنها واکنش آزمون داشمن مورد استفاده قرار گرفت. همچنین بازده سونوراکتورهای ساخته شده با عملکرد پره راشتون و سونوراکتورهای موجود در مراجع مقایسه گردید. با توجه به مقادیر ضریب جدایش و زمان اختلاط میکروی بدست آمده برای موارد مختلف مشخص شد که سونوراکتورهای فرکانس بالای ساخته شده ضمن داشتن میزان توان مصرفی کمتر، اختلاط میکروی مطلوبی را فراهم می آورند. همچنین تأثیر حضور میکرو ذرات در سونوراکتور پیوسته مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج عملکرد بهتری را در حضور میکرو ذرات نشان دادند. بازده سونوراکتورها در محیط ویسکوز نیز بررسی گردید که مشخص شد کارایی التراسونیک در محیط ویسکوز کاهش یافته با این وجود التراسونیک همچنان تأثیر مثبتی بر افزایش بازده اختلاط داشته است. با ایجاد شبکه عصبی مصنوعی امکان پیش بینی ویژگی های سونوراکتور ناپیوسته از جمله بازده انرژی و زمان اقامت متوسط پیش بینی گردید. به منظور توصیف الگوی جریان های ایجاد شده توسط التراسونیک، سیستم های مورد بررسی توسط دینامیک سیالات محاسباتی مدل شدند. نحوه پراکندگی جریان ها و بردارهای سرعت در نتایج بخوبی نشان داده شد. همچنین مقادیر بدست آمده برای سرعت و توزیع محصولات واکنش تطابق خوبی با نتایج تجربی بدست آمده داشته است.

یکی از واحد های پالایشگاه گاز، واحــد بازیافت گوگــــرد است که جهت تبدیل سولفید هیــدروژن استحصال شده در واحدهای شیرین سازی گاز به گوگرد عنصری طراحی شده است. خوراک ورودی این واحد گاز اسیدی است و شامل مخلوطی از گازهای مختلف می باشد که دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن درصد بیشتر آن را تشکیل می دهند. خروجی این واحد، گوگرد عنصری بوده و گاز های باقیمانده که از این واحد خارج می شوند، گاز های دنباله نام دارند. گازهای دنباله حاوی نیتروژن، دی اکسیدکربن، بخارآب، سولفید هیدروژنِ واکنش نکرده و ترکیبات گوگردی می باشد. برای رعایت الزامات زیست محیطی، این گازها را در کوره زباله سوز گاز دنباله سوزانده تا سولفید هیدروژن و بقیه مواد خطرناک دیگر تا حد امکان حذف شوند. برای شرایط خاص که واحد احیاء گوگرد از سرویس خارج می شود ورودی این واحد که گاز اسیدی می باشد به کوره زباله سوز گاز اسیدی، هدایت شده و سوزانده می شود. با توجه به اهمیت موضوع و پیش بینی روند احتراق درون کوره مذکور، در تحقیق حاضر، شبیه سازی cfd احتراق در کوره زباله سوز گاز اسیدی واحد احیاء گوگرد (کوره 60001) پالایشگاه اولِ شرکت مجتمع گاز پارس جنوبی انجام شده و نتایج محاسبات cfd با مقادیر تجربی اندازه گیری شده در واحد موجود، مقایسه شده اند. همچنین از نتایج مدلسازی برای تشریح هیدرودینامیک جریان و روند پیشرفت احتراق استفاده شده است. در شرایط عادی (زمانی که واحد احیاء گوگرد در سرویس است)، گاز سوختی، در کوره زباله سوز گاز اسیدی می سوزد. هدف از احتراق گاز سوختی در کوره فوق، گرم نگهداشتن کوره برای زمانی است که واحد احیاء گوگرد در پالایشگاه از سرویس خارج می شود. شبیه سازی شامل سه مرحله است.

در این تحقیق مدلسازی احتراق کوره واکنش و پیش بینی علل تخریب لوله های داخلی واحد بازیافت گوگرد شرکت پالایش گاز ایلام با استفاده از تکینیک دینامیک سیالات محاسباتی انجام گرفته است. کوره های واکنش واحد بازیافت گوگرد پالایشگاه گاز ایلام در ابتدای راه اندازی و در حین بهره برداری برای چندین مرتبه از نواحی اتصال لوله به صفحه لوله دچار خرابی شدند. بنابراین مدلسازی شرایط مختلف عملیاتی و تغییر در ساختار فیزیکی کوره صورت گرفته است. در مرحله اول، مدلسازی احتراق گاز سوختی کوره واکنش با دبی های، m3/hr 150 به همراه هوای اکسید کننده استیکیومتری و بخار آب، وm3/hr 250 به همراه 400 درصد هوای اضافی انجام شد. نتایج نشان داد ، دمای گازهای حاصل از احتراق، در حالت m3/hr150 گاز سوختی با هوای استیکیومتری، در حدود 2400 کلوین می باشد و بعد از چوک رینگ با دور شدن از مرکز شعله تا قبل از چکروال، دما تا 1900 کلوین کاهش می یابد و دما در نزدیک صفحه لوله به 1800 کلوین می رسد. از بخار آب بعنوان ملایم کننده دمای شعله به همراه گاز سوختی در همین شرایط استفاده شد، و نتایج نشان داد که استفاده از kg/hr 1200 بخار آب به همراه m3/hr 150 گاز سوختی، دمای مرکز شعله تا 1380 کلوین کاهش می یابد و به دنبال آن دمای گازهای داغ در بعد چکروال و نزدیک صفحه لوله، به 1300 کلوین می رسد و انرژی تابشی مرکز شعله را از mw/m22/3 به mw/m27/0 کاهش می دهد. از طرفی دیگر نتایج نشان داد که در حالت m3/hr 250 گاز سوختی با هوای اضافی، دمای مرکز شعله 2400 کلوین، و دمای کوره در نزدیک چکروال و صفحه لوله مشابه حالتی بود که از بخار به همراه سوخت استفاده شود در مرحله دوم، مدلسازی احتراق گاز اسیدی کوره واکنش با دبی m3/hr 11000 به همراه m3/hr10000 هوای اکسید کننده انجام گرفت. نتایج نشان داد، تغییرات اندازه سرعت گازهای داغ در کوره به دلیل شدت جریان گاز اسیدی در مرکز کوره، از m/s 8/13 تا m/s 1 در مقطع قطری کوره وجود داشت و بعد از چکروال این تغییرات سرعت در نزدیک صفحه لوله، از m/s 6 به m/s 2 رسید. توزیع دما در کوره نیز تابعی از توزیع جریان، سرعت گاز اسیدی و محصولات احتراق بود. بصورتی که ماکزیمم دمای شعله 1530 کلوین بود که تا محدوده قبل از چکروال و در مقطع های قطری در طول محور کوره، تفاوت 500 کلوینی وجود داشت. بنابراین نتایج مربوط به توزیع جریان و سرعت در کوره واکنش نشان داد، جریان گاز های داغ بعد از چکروال تابعی از جریان بالادست خود یعنی چوک رینگ و مشعل چرخشی می باشند که جریان گازهای داغ ورودی به لوله و صفحه لوله یکنواخت نمی باشد و در لوله های ناحیه مرکزی صفحه لوله جریان بیشتری از گاز داغ وجود دارد. مرحله سوم در جهت رفع مشکلات مرحله دوم، مدلسازی و امکان سنجی تغییر در ساختار فیزیکی چکروال در حالت گاز اسیدی صورت گرفته است. شرایط عملیاتی این مرحله نیز مانند مرحله دوم بود با این تفاوت سه نوع چکروال طراحی جدید بجای چکروال نوع a (موجود در کوره واکنش) در مدلسازی تعبیه شده است. نتایج حاصل از مدلسازی نشان داد که تغییرات اندازه سرعت، توزیع جریان، واکنش دهنده ها ومحصولات احتراق در بعد از چکروال نوع d به مراتب از چکروال های a,b,c بهتر است. و تغییرات اندازه سرعت در نزدیک صفحه لوله در مقطع قطری از m/s 7/4 تا m/s 2/6 می باشد. در مرحله چهارم، مدلسازی حرارتی المانی از لوله، صفحه لوله و ریفرکتوری انجام شده است. نتایج مدلسازی نشان داد که با دو لایه کردن ریفرکتوری، دمای سطح داخلی صفحه لوله از 600 کلوین به 500 کلوین کاهش داشته است. نتایج مرحله اول، دوم و چهارم مدلسازی با داده های صنعتی توافق خوبی دارند ولی مرحله چهارم پیش بینی و امکان سنجی بوده است.

در این مطالعه یک حسگر حساس جدید بر پایه ساختار پلیمر نانو کاتالیست/پلی پیرول به منظور تعیین اپی¬نفرین در نمونه سرم خون انسان طراحی شده است. تکنیک¬های ولتامتری چرخه¬ای، ولتامتری موج مربعی، اسپکتروسکوپی امپدانس و تصویربرداری روبش الکترونی به منظور تشخیص رفتار الکتروشیمیایی وتوصیف ویژگی سطح الکترود اصلاح شده جدید، استفاده شده است. این حسگر در پتانسیل 1/0 ولت مثبت نسبت به الکترود مرجع ag/agcl و در 6= ph تحت شرایط بهینه شده شیمیایی و دستگاهی قادر است اپی نفرین در محدوده خطی از غلظت 0.06 تا 50 نانو مولار را با انتخاب پذیری، دقت و صحت مناسب در سیال¬های بیولوژیکی مانند خون انسان، بدون تاثیرپذیری از مزاحمت¬های احتمالی ناشی از دیگر گونه¬های بیولوژیکی اندازه¬گیری نماید.

در این مطالعه تحقیقاتی، یک حسگر حساس جدید بر پایه حسگرطلا/ پیرول- نانوذره طلا- مایسل سورفاکتانت-کمپلکس کلرید بای پیریدین روتنیوم جهت اندازه گیری و ردیابی هورمون های تیرویید( (t3), (t4در خون انسان طراحی شده است. ولتامتری چرخه ای، ولتامتری موج مربعی ، تکنیک های آمپدانس اسپکتروسکوپی و میکروسکوپی پیمایش الکترونی جهت تایید و شناسایی رفتار الکتروشیمیایی الکترود اصلاح شده جدید به کار برده می شوند. حسگر معرفی شده، دارای حساسیت خوب، گزینش پذیری، پایداری و ماندگاری طولانی مدت فعال بودن الکتروشیمیایی می باشد و جهت اندازه گیری هورمون های تیروئیدt3 ,t4 در سیال های بیولوژیکی بدون هیچ گونه اثرات ناشی از مزاحمت های جانبی به کار می رود.