وبلاگ

:
نگرانی در مورد انتشار گازهای آلاینده به اتمسفر و افزایش دمای زمین چند سالی است که از مهمترین نگرانی های نوع بشر شده است. افزایش استفاده از سوخت های فسیلی با افزایش روزافزون تقاضا برای انرژی، دانشمندان را به یافتن منابع انرژی جایگزین و تجدیدپذیر واداشته است. از طرف دیگر، دفع پسماندهای شهری در لندفیلدها، خود از مشکلاتی است که نگرانی های زیست محیطی چون آلوده شدن منابع آب های زیرزمینی در نتیجه نفوذ شیرابه حاصل از پسماندهای دفن شده در زیر خاک، شیوع بیماری ها، بوی مشمئز کننده حاصل از تعفن و بسیاری از موارد دیگر، دانشمندان را به مطالعه و تحقیق برای یافتن راه حلی برای تصفیه شیرابه و روش های دفع آن واداشته است. شیرابه حاصل از لندفیلد یکی از آلوده ترین پساب ها می باشد که BOD و COD بسیار زیاد آن وجه تمایز شیرابه و فاضلاب شهری است. روش های مختلف در تصفیه شیرابه کاربرد دارد اما با هیچ یک از روش های موجود چه از بعد مصرف انرژی و هزینه های گزاف تحمیلی و چه از بعد راندمان مناسب و کاهش BOD و COD آن به نحوی که قابل دفع در محیط باشد نتایج مطلوب به دست نیامده است. تکنولوژی پیل های سوختی میکروبی چند دهه ای است که از اهمیت ویژه ای برخوردار شده است. پیل سوختی میکروبی به لحاظ “سبز” بودن مناسب ترین تکنولوژی برای تصفیه شیرابه و تولید همزمان انرژی می باشد. اما مشکل اساسی آن، توان خروجی و بازدهی کم انرژی آن است که عمدتا ناشی از متابولیسم کند میکروب ها می باشد. به هرحال، با پیشرفت های زیادی که در توسعه آن حاصل می شود، می توان به آینده پرکاربرد این تکنولوژی چه در زمینه تصفیه پساب و چه در زمینه تولید انرژی تجدیدپذیر بسیار امیدوار بود.

در این تحقیق، ابتدا به معرفی پیل سوختی، تاریخچه، مبانی و انواع آن پرداخته شده است که پیل سوختی میکروبی نیز از نسل های بعدی آن محسوب می شود. سپس، پیل های سوختی میکروبی و انواع آن مطرح شده است. تشریح اجزا، مکانیسم عملکرد، کاربردها و مسائل و مشکلات مربوط به آن به تفصیل مطرح شده است. در پایان نیز به کاربرد پیل های سوختی میکروبی در تصفیه شیرابه و پیشرفت های اخیر آن پرداخته شده است.
فصل اول: پیل های سوختی
1-1) پیشینه پیل سوختی
برخلاف سایر تکنولوژی ها، پیل سوختی تاریخچه نسبتا طولانی دارد. ویلیام روبرت گرو (William Robert Grove)، که یک وکیل بود و بعدها دانشمند شد، در سال 1839 اولین پیل سوختی را ابداع کرد. همانظور که در شکل 1-1 مشاهده می شود، او اکسیژن و هیدروژن را در یک سری لوله آزمایش به طور مجزا قرار داد و فاصله میان آنها را با اسید سولفوریک رقیق پر کرد (سمت چپ شکل 1-1). سپس درون هریک از لوله های آزمایش یک الکترود پلاتینی قرار داد و آنها را به یک ولت متر متصل کرد (سمت راست شکل 1-1).
او مشاهده کرد که یک جریان ثابت بین الکترودها برقرار شد و سطح آب نیز همزمان شروع به افزایش کرد. آنچه که رخ داد در واقع واکنش عکس الکترولیز آب بود. واکنشی که رخ داد همان واکنش سوختن هیدروژن بود که در معادله 1-1 نشان داده شده است. با این تفاوت که در پیل سوختی، انرژی الکتریکی تولید می شود اما در واکنش سوختن مستقیم هیدروژن، احتراق، فقط گرما تولید می شود.
H2+1/2O2->H2O
پس از این ابداع، دانشمندان زیادی سعی در بالا بردن بازدهی پیل سوختی داشتند. در سال 1886، لودویگ موند، شیمیدان، و دستیارش کارل لنگر یک پیل سوختی هیدروژن / اکسیژن ساختند که شدت جریان 6 آمپر بر فوت مربع و ولتاژ 0/73 ولت تولید می کرد. الکترود مورد استفاده آنها پلاتین نازک و متخلخل و الکترولیت آن به شکل شبه جامد بود. در سال 1896 یک مهندس برق و شیمیدان، ویلیام جکس، سعی کرد بر مبنای پیل سوختی، مستقیما از ذغال الکتریسیته تولید کند. او از یک باز برای الکترولیت و کربن برای الکترودها استفاده کرد اما نتوانست در باطری کربن خود واکنش الکتروشیمیایی ایجاد کند. امیل بور از سوئیس، یک تحقیق در مورد یک نوع پیل سوختی انجام داد که در دماهای زیاد عمل می کرد و الکترولیت آن نقره مذاب و بخشی از آن شامل الکترولیت اکسید فلز و خاک رس بود. فردریک ویلهلم استوالد در سال 1893 توانست به تئوری شیمی بنیادی نحوه عملکرد پیل سوختی دست یابد.

:
زندگی به نیتروژن وابسته است. حدود 10 تا 15% محتوای ارگانیک موجودات زنده از نیتروژن تشکیل شده است. گردش ترکیبات نیتروژن در بایوسفر به عنوان چرخه نیتروژن شناخته می شود.
در قدیم، کاربرد اصلی میکروبیولوژی چرخه نیتروژن درک و بهبود راندمان کود در کشاورزی بود. سال ها بعد، پتانسیل این چرخه برای حذف مواد مغذی از فاضلاب کشف شد و تحقیقات به سمت بهبود حذف نیتروژن از فاضلاب هدایت شدند. نقش Nitrification و Denitrification در تشکیل اکسیدهای نیتروژن توجه اصلی تحقیقات زیست محیطی درباره چرخه نیتروژن را به خود جلب کرد. با گسترده شدن دامنه تحقیقات در طی سال های بعد فرآیندهای جدیدتری برای حذف ترکیبات مضر نیتروژنی از منابع اصلی حیات بشر نظیر آب،

 کشف گردید. فرآیند Anammox از جمله این فرایندها است.

فصل اول: کلیات
1-1- هدف
امروزه برای حذف آمونیوم مقررات محکمی وجود دارد به این دلیل که تخلیه فاضلاب های حاوی آمونیم می تواند محیط را برای حیات آبی سمی کند. در حال حاضر حذف آمونیوم در کارگاه های تصفیه فاضلاب از ترکیب Nitrification هوازی که توسط ارگانیسم های اتوتروف کاتالیز می شود و Denitrification که توسط ارگانیسم ها کاتالیز می گردد، تشکیل شده است. در مرحله اول، آمونیوم به وسیله نیتریت به نیترات اکسید می شود و در مرحله دوم نیترات با کربن ارگانیک به وسیله نیتریت به N2 احیا می گردد. این ترکیب مدت ها به عنوان تنها راه حذف آمونیوم از فاضلاب مورد توجه قرار داشت. ولی دغدغه های اقتصادی و یافته های جدیدتر استفاده از راه های کوتاه تر و با هزینه کمتر در فرآیند تصفیه پساب های سرشار از آمونیم به جای فرآیندهای سنتی را توصیه می کنند. در فرایند آناماکس آمونیم به صورت بی هوازی با نیتریت به وسیله باکتری های اتوتروف به N2 اکسید می شود و نسبت به فرآیندهای متداول Nitrification و Denitrification دارای مزیت های فراوانی است.
در این پروژه ضمن معرفی فرآیند Anammox و مقایسه آن با سایر فرآیندهای حذف آمونیم اقدام به مدلسازی فرآیند Anammox با استفاده از مدل مرجع ASM1 و حل مدل با کمک نرم افزار Matlab نموده ایم.

:
در منابع و تحقیقات موجود در کشور سابقه ای در زمینه بهره گیری از مدل Rate based در شبیه سازی فرآیند تقطیر واکنشی موجود نیست و مطالعات در خارج از کشور به ویژه امریکا و هلند در حال انجام است. از اینرو در این تحقیق به بررسی و تجزیه و تحلیل مواردی مانند معایب استفاده از مدل تعادلی و در مقابل مزایا و معایب روش هایی مبتنی بر مدل غیرتعادلی، معادلات، خواص فیزیکی و… مورد

 نیاز جهت استفاده از مدل غیرتعادلی خواهیم پرداخت.

شبیه سازی فرآند تقطیر واکنشی تولید متیل استات در برج های Pack و برج های سینی دار و مقایسه نتایج به دست آمده با نتایج مدل تعادلی، تاثیر کاتالیست های مختلف، نرخ رفلاکس، فرمول فیک، فرمول ماکسول – استفان و… به عنوان پارامتر متغیر روی تولید متیل استات از نظر کمی و کیفی، بررسی تولید متیل استات در حالت های S.S و دنیامیکی، ذکر چند مثال و… خواهیم پرداخت.
هدف:
دستیابی به نتایج شبیه سازی فرآیند تقطیر واکنشی تولید متیل استات و مقایسه با نتایج به دست آمده از تعادلی و نتایج تجربی جهت بررسی دقت مفروضات فوق، بررسی امکان انجام شبیه سازی فوق با نرم افزارهای موجود.
ضرورت:
استفاده از مدل Rate based باعث افزایش درجه خلوص محصول و استفاده از برج تقطیر واکنشی باعث کاهش تجهیزات و هزینه های اولیه و عملیاتی خواهد شد.
1- مدل تعادلی (EQ)
1-1- روش سنتی
در دهه گذشته فرآیندهای جداسازی براساس مرحله تعادلی به انجام می رسد که باعث می گردید تا: 1- جریان خروجی بخار و مایع هر مرحله بدون توجه به نرخ واقعی انتقال جرم در تعادل با یکدیگر در نظر گرفته شوند در حالی که، واقعیت نشان می دهد به سختی ممکن است یک مرحله به تعادل برسد.
2- راندمان ترکیبات مختلف روی سینی و راندمان فاز بخار و مایع یکسان در نظر گرفته شود در حالی که راندمان به دست آمده ناشی از تقریبا تمامی پدیده ها اعم از هیدرونیامیک، انتقال جرم، اثر متقابل در فصل مشترک و… در دستگاه است که از آنها اغماض می گردد.
3- از تاثیر هیدرولیک سینی بر انتقال جرم صرف نظر گردد.
4- در صورتی که با سیستم های چند جزئی سروکار داشته باشیم: اثرات متقابل نفوذ که می تواند باعث پدیده های غیرمعمول مانند نفوذ معکوس گردد (انتقال جرم جزء در مسیر معکوس)، راندمان یک مرحله برای اجزاء متفاوت بسته به نفوذ اجزاء ممکن است بسیار متفاوت باشد.

:
فرآیند خشک کردن در کاربردهای مختلف گرمایی به صورت گسترده ای به کار می رود از، خشک کردن مواد غذایی تا خشک کردن چوب و مواد سلولزی. به کارگیری مقادیر زیادی انرژی در صنعت خشک کردن این صنعت را به یکی از مصرف کننده ترین و گرانترین صنایع از لحاظ انرژی و در عین حال دارای اهمیت بالا تبدیل کرده است. هدف یک دستگاه خشک کن رساندن گرما به محصول بیش از آنچه که می توان

 تحت شرایط محیطی رساند می باشد، تا بدین ترتیب بتوان به میزان کافی فشار بخار رطوبت موجود در محصول را افزایش دارد تا انتقال رطوبت از درون محصول شدت یافته و همچنین رطوبت نسبی هوای خشک کن را به شکل قابل توجهی کاهش داد تا قابلیت حمل رطوبت آن بیشتر شود تا در نهایت به تعادلی با محتوای رطوبت اندک محصول دست یابیم.

فصل اول: کلیات
1-1) هدف
در چند دهه گذشته، تحلیل ترمودینامیکی و خصوصا تحلیل اگزرژی، به ابزاری ضروری جهت طراحی، تحلیل و بهینه سازی سیستم های حرارتی تبدیل شده است. از دیدگاه ترمودینامیکی، اگزرژی به صورت حداکثر مقدار کاری تعریف می شود که توسط جریانی از ماده گرما یا کار که در حال رسیدن به تعادل با یک محیط مرجع است، تولید می شود. اگزرژی شامل قانون بقا نمی شود، یعنی اینکه می تواند در برگشت ناپذیری های موجود در هر فرآیند مصرف شده یا از بین برود.
اگزرژی مقیاسی از پتانسیل یک جریان در ایجاد تغییر به علت پایدار نبودن در مقایسه با محیط مرجع است. به همین دلیل، حالت محیط مرجع یا حالت مرجع بایستی کاملا مشخص باشد. این کار غالبا با تعیین دما، فشار و ترکیب شیمیایی محیط مرجع انجام می شود.
روش استفاده از اگزرژی می تواند در دستیابی به هدف استفاده بهینه تر از منابع اگزرژی نیز مفید باشد چرا که موقعیت ها، انواع و مقادیر دقیق اتلاف و هدررفت ها را مشخص می کند. بنابراین تحلیل اگزرژی مشخص می سازد که تا چه حد امکان دارد که با کاهش منابع عدم بازدهی؛ سیستم هایی با بازدهی بیشتر حرارتی طراحی کرد.
2-1) پیشینه تحقیق:
افزایش بازدهی غالبا منجر به حفظ انرژی با روش های قابل قبول زیست محیطی توسط کاهش مستقیم برگشت ناپذیری هایی که می تواند وجود داشته باشند، می شود. این امر باعث شده است که اگزرژی تبدیل به قوی ترین ابزار جهت ایجاد شرایط بهینه خشک کردن شود. تحلیل اگزرژی خصوصا در کاربردهای خشک کن های صنعتی (مقیاس بزرگ) در دمای بسیار بالا مهم می باشد.
در دهه گذشته، تحقیقات بسیاری جهت بررسی مشخصه های ترمودینامیکی فرآیندها سیستم های حرارتی از سردسازی تا خشک کردن انجام شده است. ی بر این مراجع نشان می دهد که روش تحلیل اگزرژی بر محدودیت های قانون اول ترمودینامیک فایق آمده است زیرا براساس ترکیبی از قوانین اول و دوم ترمودینامیک انجام می شود. بازدهی کمتر اگزرژی منجر به اثرات نامطلوب زیست محیطی می شود.

نظریه استفاده از گاز طبیعی برای تهیه محصولات پتروشیمی از دهه 70 میلادی مطرح شد. در آن زمان قیمت نفت به بشکه ای حدود 40 دلار رسید و پیش بینی می شد که این مبلغ به 100 دلار در هر بشکه نیز افزایش یابد. به همین دلیل محققان درصدد یافتن منبعی ارزان قیمت و در دسترس برای تهیه محصولات پتروشیمی برآمدند. در این میانگاز طبیعی به چند دلیل مورد توجه قرار گرفت:
1- مقادیر متنابهی گاز در جهان وجود دارد.
2- ارزان قیمت است.
3- گاز طبیعی سوخت تمیزی است و به علت درصد کم مواد گوگردی، نیتروژن و فلزات سنگین موجود در آن پس از احتراق، باعث آلودگی محیط زیست نمی شود.
از طرف دیگر چون ذخایر نفت خام با بهره برداری زیاد به سرعت در حال کاهش می باشد و با کشف منابع ذخایر گازی و قیمت ارزان این منبع طبیعی می توان راحت تر در اختیار داشت. بهترین و در دسترس ترین منبع هم می باشد. چون بیشتر ذخایر گازی دور از شهرهای

 صنعتی قرار دارند برای انتقال گاز به مکان های مصرف خیلی مشکل و پرهزینه می شود. بنابراین تبدیل گاز طبیعی به محصولات مفید و انتقال محصول برای مصرف ضروری می باشد. بنابراین دلایل تکنولوژی ها برای تولید مقدار زیادی از محصولات گاز طبیعی به وسیله گاز سنتز را به خوبی به اثبات رسانده اند.

تولید گاز سنتز به هزینه زیادی نیاز دارد و اثر انرژی آن هم کم می باشد. با توجه به ایمکه قیمت نفت در حدود 80 دلار به ازای هر بشکه نگه داشته شده است برای افزایش نفت خام بیشترین تمرکز روی تبدیل مستقیم متان به محصولات شیمیایی نفتی به خصوص متانول قرار گرفته است. اکسیداسیون جزئی مستقیم متان به متانول یکی از فرآیندهای جذاب صنعتی بالقوه برای استفاده از ذخایر فراوان گاز طبیعی است. متان به عنوان یک ماده اولیه در صنعت شیمیایی ابتدا طی فرآیند ریفرمینگ با بخار آب به گاز سنتز تبدیل می شود که به شدت فرآیندی گرماگیر و دارای ارزش اقتصادی بالا است و سپس به کمک تبدیل کاتالیستی در فشار بالا به متانول تبدیل می شود. بنابراین بررسی فرآیند اکسیداسیون مستقیم متان به متانول حائز اهمیت است زیرا اولا این فرآیند برای استفاده موثر از منابع گاز طبیعی به کار می رود ثانیا برای کاهش مصرف انرژی هم موثر می باشد. تبدیل مستقیم متان به متانول از نظر راندمان انرژی، به دلیل گرمازا بودن، بر فرآیند صنعتی تولید متانول الویت دارد.
از آنجا که قیمت انتقال متان – بخش اعظم گاز طبیعی – به صورت گاز بیش از 5 برابر انتقال آن به صورت محصولات مایع است؛ راه حل منطقی، تبدیل گاز به محصولات مایع و سپس عرضه آن می باشد از طرفی انتقال گاز به صورت گاز مایع (LNG) بسیار پرهزینه است و ضریب ایمنی پایینی دارد. همین امر باعث شده تا محققان بسیاری بر روی پروژه های مختلف تبدیل گاز طبیعی به مایعات هیدروکربوری با ارزش افزوده بالا فعالیت کننده تاکنون فرایندهایی نیز تدوین و ثبت شده است. اما علیرغم پیش بینی دهه 70 میلادی، قیمت نفت به شدت کاهش یافت و این مسئله باعث شد که این فرایندها از نظر اقتصادی با فرایندهای متعارف موجود قابل رقابت نباشند. با این وجو، به علت محدودیت ذخایر نفت در جهان، تحقیقات بر روی پروژه های تبدیل گاز کمامان ادامه دارد.
این تحقیقات به دو گروه تبدیل مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می شود. در مورد اول متان مستقیما به محصول مایع تبدیل می شود ولی در تبدیل غیرمستقیم، متان ابتدا به یک محصول میانی و سپس به محصول مورد نظر تبدیل می گردد.
از آنجا که در تبدیل غیرمستقیم، امکان انجام واکنش های چندگانه محتمل تر می باشد، از نظر اقتصادی تبدیل مستقیم جاذبه بیشتری دارد. اما به علت پایداری مولکول متان، این تبدیلات در دما و فشار عملیاتی بالا و به کمک کاتالیست هایی با گزینش پذیری قابل قبول انجام می شود. با این حال به علت ناپایداری محصولات تولیدی نسبت به متان، کماکان بهره تولید محصول مطلوب در این فرآیندها نسبتا پایین است.
در حال حاضر قسمت عمده گاز طبیعی، در محل بهره برداری سوزانده می شود و بخشی از آن به روش تبدیل به بخار آب به گاز سنتز تبدیل و سپس به محصولاتی نظیر متانول یا فرمالدئید تبدیل می شود. در کشورهایی مانند ایران نیز به منظور افزایش ضریب بازیافت نفت از چاه، مقداری از گازهای تولیدی به مخازن نفت تزریق می گردد. اما با توجه به فن آوری های جدید GTL و امکان تبدیل گاز طبیعی به محصولاتی نظیر متانول، مصارف باارزش تری برای آن پیش بینی می شود.
متانول با مصرف سالانه بیش از 26 میلیون تن در جهان جایگاه ویژه ای در بین مواد شیمیای دارد.