دانلود پایان نامه ارشد : پیش بینی عملکرد غشاهای اسمز معکوس با استفاده ازبهینه سازی، مدل سازی ریاضی و حل مدل به کمک روشهای عددی

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی شیمی 

گرایش : محیط زیست

عنوان :  پیش بینی عملکرد غشاهای اسمز معکوس با استفاده ازبهینه سازی، مدل سازی ریاضی  و حل مدل  به کمک روشهای عددی

دانشگاه شهید باهنر 

دانشکده فنی و مهندسی   

بخش مهندسی شیمی    

   پژوهشکده علوم محیطی     

پایان نامه تحصیلی برای دریافت درجه کارشناسی ارشد مهندسی شیمی گرایش محیط زیست  

پیش بینی عملکرد غشاهای اسمز معکوس با استفاده ازبهینه سازی، مدل سازی ریاضی

و حل مدل  به کمک روشهای عددی

استادان راهنما :

دکتر عطاء الله سلطانی

دکترعلی مرادی

استاد مشاور :

دکتر حسن هاشمی پوررفسنجانی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)چکیده  ازجمله مدل هایی که قادر به پیش بینی های موفقی برای عملکرد غشاهای اسمز معکوس، یعنی، میزان جداسازی و فلاکس عبوری در طیف وسیعی از شرایط فیزیکی (غشا و محلول) و شرایط آزمایشگاهی (فشار و غلظت) می باشند، مدل اصلاح شده نیروی سطحی – جریان حفره‌ای وحالت کامل‌ترآن  یعنی مدل تعمیم یافته اصلاح شده نیروی سطحی – جریان حفره‌ای است.  در این تحقیق برای یافتن تابع پتانسیل و تابع اصطکاک که دو تابع بسیار مهم و تاثیر گذار  در مدلهای مذکور و نیز سایر مدل های غشاهای متخلخل هستند، تلاش هایی صورت گرفته است که نتایج ارزشمند و جدیدی در این زمینه حاصل شده است. بررسی نتایج نشان داد که بهترین مدل برای پیش بینی داده های آزمایشگاهی،  مدل پیشنهادی با توابع پتانسیل و اصطکاک  و  یعنی مدل Ex-P3-F3 با داشتن مقدار تابع هدف معادل0.0335   می باشد. از طرفی بررسی اثر تابع پتانسیل بر نتایج حاصل از مدل تعمیم یافته اصلاح شده نیروی سطحی – جریان حفره‌ای،  نشان داد که در این شرایط  از جایگزینی تابع پتانسیل پیشنهادی درمدل مذکور، مدل Ex-P4-F1  حاصل می شود که با داشتن کمترین مقدار تابع هدف  معادل  0.0337 ، به خوبی داده های آزمایشگاهی را پیش بینی می کند.  از سوی دیگر، امروزه با توجه به پیشرفت علم ریاضیات و ابداع روش‌های جدید حل عددی همانند روش اختلاف محدود و روش حجم محدود،  امکان حل معادلات پیچیده و غیر خطی میسر شده است که در این تحقیق با استفاده از این روش‌ها به حل معادلات غیر خطی سرعت و غلظت حاکم بر مدل های مذکور و در نهایت پیش بینی عملکرد غشاهای اسمز معکوس بر اساس این مدل ها پرداخته شده است.کلید واژه: غشاهای اسمز معکوس، مدل تعمیم یافته اصلاح شده نیروی سطحی – جریان حفره‌ای، تابع پتانسیل، تابع اصطکاک، روش عددی . فهرست مطالبعنوان                                                                                                                                صفحه فصل اول-  مقدمه   .................................................................................................. 11-1- مقدمه.................................................................................................................. 21-2- معرفی موضوع...................................................................................................... 31-3- اهداف................................................................................................................. 41-4-  غشاها و فرآیندهای غشایی.................................................................................... 5فصل دوم -  تئوری تحقیق ومروری بر تحقیقات گذشته......................................... 72-1-  اسمز، فشار اسمزی، اسمز معکوس و دیدگاهها........................................................ 82-2- اصول انتقال جرم غشایی........................................................................................ 92-2-1- عملکرد غشا..................................................................................................... 92-2-2- پلاریزاسیون غلظتی........................................................................................... 102-2-3- نیروهای محرکه برای اسمز معکوس.................................................................... 122-3- مکانیزمهای انتقال.................................................................................................. 132-3-1- مکانیزم فیلتراسیون غربالی.................................................................................. 132-3-2- مکانیزم سطح خیس.......................................................................................... 132-3-3- مکانیزم انحلال- نفوذ........................................................................................ 142-3-4- مکانیزم جذب ترجیحی- جریان حفره‌ای............................................................. 142-4- مدلهای انتقال........................................................................................................ 152-4-1- مدلهای مستقل از مکانیزم یا مدلهای پدیده شناسانه انتقال........................................ 162-4-1-1- ترمودینامیک غیر برگشتی- روابط پدیده شناسانه انتقال...................................... 162-4-1-1- الف-  مدل کدم – کاتچالسکی...................................................................... 172-4-1-1- ب-  مدل کدم- اسپیگلر................................................................................ 182-4-2- مدلهای وابسته به مکانیزم.................................................................................... 192-4-2-1- مدلهای انتقال غیر متخلخل............................................................................. 192-4-2-1- الف-  مدل انحلال- نفوذ............................................................................... 192-4-2-1- ب-  مدل انحلال- نفوذ- حفره....................................................................... 20عنوان                                                                                                                                  صفحه2-4-2-1- ج-  مدل توسعه یافته انحلال- نفوذ.................................................................. 212-4-2-2- مدلهای انتقال بر اساس تخلخل....................................................................... 222-4-2-2- الف-  مدل کیمورا- سوریراجان..................................................................... 222-4-2-2- ب-  مدل حفره های ریز................................................................................ 242-4-2-2-ج-  مدل اصلاح شده- حفره های ریز.............................................................. 252-4-2-2- د-  مدل نیروی سطحی- جریان حفره‌ای.......................................................... 272-5- مدل اصلاح شده نیروی سطحی- جریان حفره ای..................................................... 302-5-1- تعیین توزیع غلظت............................................................................................ 312-5-2- تعیین توزیع سرعت........................................................................................... 322-5-3- جداسازی و شارهای عبوری حلال و ماده حل شده از درون غشا............................. 332-5-4- تابع پتانسیل...................................................................................................... 342-5-5- تابع اصطکاک.................................................................................................. 352-6- مدل تعمیم یافته اصلاح شده نیروی سطحی- جریان حفره ای .................................... 352-6-1- مولفه شعاعی شار ماده حل شده.......................................................................... 352-6-2- مولفه محوری شار ماده حل شده......................................................................... 372-6-3- تعیین توزیع سرعت........................................................................................... 392-6-4- جداسازی و شار ماده حل شده و حلال عبوری از غشا............................................ 392-6-5- تابع پتانسیل...................................................................................................... 402-6-6- تابع اصطکاک.................................................................................................. 40فصل سوم-  روشهای عددی حل معادلات دیفرانسیل و غیرخطی........................ 413-1- تئوری گسسته سازی.............................................................................................. 423-2- روش اختلاف محدود............................................................................................ 433-3- روش المان محدود................................................................................................ 443-4- روش حجم محدود............................................................................................... 453-4-1- طرح اختلاف مرکزی........................................................................................ 473-4-2- طرح اختلاف بالا دست..................................................................................... 48عنوان                                                                                                                                  صفحه 3-4-3- طرح اختلاف پیوندی........................................................................................ 49فصل چهارم-  مدلسازی ریاضی و بهینه سازی.......................................................... 504-1- مقدمه.................................................................................................................. 514-2- روش کلی حل معادلات مدل MD-SF-PF و Ex-MD-SF-PF................................... 514-3- گسسته سازی معادلات........................................................................................... 524-3-1- گسسته سازی معادله سرعت................................................................................ 524-3-2- گسسته سازی معادله غلظت................................................................................. 544-4- حل معادلات جبری............................................................................................... 594-5- بهینه سازی........................................................................................................... 59فصل پنجم-  نتایج ..................................................................................................... 64   5-1- نتایج حاصل از حل عددی و بهینه سازی مدل MD-SF-PF........................................ 655-2- نتایج حاصل از بهینه سازی مدل  Ex-MD-SF-PFوسایر مدل های پیشنهادی................ 685-3- بررسی نتایج مدلEx-MD-SF-PF وNew-Ex-MD-SF-PF....................................... 745-3-1- مقایسه نتایج حاصل از حل عددی مدلEx-MD-SF-PF ومدل New-Ex-MD-SF-PF با داده های آزمایشگاهی    745-3-2- بررسی توزیع غلظت مدلEx-MD-SF-PF  ومدلNew-Ex-MD-SF-PF................. 815-3-3- مقا یسه توزیع سرعت مدلEx-MD-SF-PF  ومدل New-Ex-MD-SF-PF............... 835-3-4- بررسی ومقایسه روندتغییرات تابع پتانسیل مدلEx-MD-SF-PF ومدل New-Ex-MD-SF-PF .................................................................................................. 845-4- بررسی اثر تابع پتانسیل بر مدلEx-MD-SF-PF........................................................ 885-4-1- بررسی توزیع سرعت مدل پیشنهادی با توابع (Ex-P4-F1)......................... 935-4-2- بررسی روند تغییرات تابع پتانسیل مدل پیشنهادی با توابع (Ex-P4-F1)....... 94فصل ششم-  نتیجه گیری و پیشنهادات....................................................................... 966-1- نتیجه گیری.......................................................................................................... 976-2- پیشنهادات............................................................................................................ 98مراجع........................................................................................................................... 100- مقدمه در اواخر دهه 1950 میلادی، رید وبریتون [1] در دانشگاه فلورید کشف کردند که غشا ساخته شده از استات  سلولز قدرت دفع نمک را دارا می باشد. جریان آب عبوری از این غشای متراکم [2] به قدری کم بود که امکان استفاده عملی از آن را غیر ممکن می نمود]1 و2[.نقطه عطف پدیده‌های غشایی را می توان مربوط به حدود سال 1958 دانست، هنگامیکه اولین غشای نامتقارن استات سلولز، در دانشگاه لس آنجلس کالیفرنیا (UCLA) ساخته شد.لئوب و سوریراجان[3] با ساختن یک لایه نازک به ضخامت)  (0.1-1.0µmبر روی یک ساختار متخلخل در پشت آن، توانستند غشای نامتقارنی از استات سلولز تولید کنند]1[.غشاهای استات سلولز دو محدودیت بزرگ دارند. اولاً مستعد حمله مواد بیولوژیکی هستند که در این صورت باید آب ورودی را کلریناسیون کرد. ثانیاًتحت شرایط مختلف اسیدی و بازی، استات سلولز به استات هیدرولیز می شود، بنابراین PH سیستم باید بین 5.4 تا 5.7 کنترل شود [3].یکی از راههای توسعه غشاهای نامتقارن این بود که لایه پوسته و لایه محافظ متخلخل را به صورت جداگانه تولید کرده و سپس به نحوی بر روی یکدیگر قرار دهند. در نوع جدیدی از غشاها، بنام کامپوزیت فیلم نازک[4]  (TFC)این عمل را طی دو مرحله به انجام می رسانند. ابتدا لایه ضخیم با یک لایه متشکل از حفره‌های بسیار ریز[5] پوشش داده می شود و بعد لایه‌ای نازک روی آن پوشانیده می‌شود. یکی از محاسن این روش این است که می توان عملکرد (جداسازی و شارعبوری) هر کدام از لایه‌هارا جداگانه بهینه کرد. امروزه این نوع غشاها (TFC) از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه بوده و عملکرد بالایی دارند [4].در سال 1977 غشاهای پلی‌آمیدی ساخته شدند. هدف از ساخت این نوع غشاها که به روش TFC ساخته می شوند، این بود که مقاومت شیمیایی، ‌بیولوژیکی و مکانیکی سطح، توسعه یافته و عمر مفید غشا افزایش یابد. یکی از محدودیت های این نوع غشا نسبت به غشاهای استات سلولز را می توان مشکل بودن طرز تهیه آن ها دانست که متحمل هزینه زیادتری است]3 و 5[. 1-2-  معرفی موضوع دیدگاههای مختلفی در تحقیقات غشایی وجود دارند. علم مدلسازی می کوشد تا عملکرد غشاها را توصیف و در مرحله بالاتر پیشگویی نماید، و از این طریق، هم دانش مربوط به مکانیزم انتقال را گسترش دهد و هم اینکه از این دانش در طراحی غشاها و دستگاههای اسمز معکوس استفاده کند. علم مواد با استفاده از معیارهای فیزیکی و شیمیایی می کوشد تا با تهیه و سنتز غشاهای جدیدتر به فناوری فرآیندهای غشایی سرعت بخشد. طراحی فرآیند، در زمینه طراحی کلی و بهینه سازی سیستمهای اسمز معکوس در مقیاس صنعتی تحقیق می کند [6 و7].در این میان مدلسازی و پیشگویی عملکرد غشاهای اسمز معکوس[6] اهمیت خاصی دارد. به منظور اینکه عملکرد غشاهای اسمز معکوس را به شایستگی توصیف نماییم، مدل های ریاضی بسیار دقیق و مناسبی مورد نیازاست. این نیاز منجربه توسعه چند مدل انتقال شده است.هدف عمومی مدل های انتقال این است که عملکرد غشارا که معمولاً بر حسب جداسازی (کسری از ماده حل شده که از خوراک جدا می شود) و شار عبور بیان می‌شود، به شرایط عملکرد (مانند فشار و غلظت خوراک) یا نیروی محرکه (که معمولاً گرادیان غلظت و فشار می باشند)، توسط ضرایبی (که به عنوان ضرایب انتقال شناخته می شوند و شامل پارامترهای مدل می باشند) ربط دهد. ضرایب یا پارامترها باید از داده های آزمایشگاهی تعیین شوند. موفقیت کامل یک مدل یعنی قدرت آن مدل در توصیف ریاضی داده ها با ضرایبی (یا پارامترهایی) که در محدوده شرایط عملی ثابت باقی می مانند (پارامترهای مستقل از نیروهای محرکه). در نهایت مدل با ضرایب انتقال (یا پارامترهای) مشخص می تواند عملکرد یک غشا را در طیف وسیعی از شرایط عمل پیشگویی کند. این قدرت پیشگویی عملکرد، قدرت واقعی مدل انتقال است. مدل انتقال می تواند بعضاً هزینه های زیاد آزمایشی را حذف کند و یا با برنامه تحقیقاتی در ساخت غشا جفت شده تا منجر به معیارهای طراحی بهتری شود و یا به همراه یک برنامه طراحی فرآیند بکار گرفته شده و منجر به مقیاس صنعتی منطقی برای سیستم اسمز معکوس گردد [1]. تا کنون مدل های زیادی برای بیان عملکرد و همچنین پیشگویی عملکرد غشاهای اسمز معکوس ارائه شده است و بعضی از آن ها موفقیت های نسبتاً خوبی داشته‌اند. این مدل ها به مرور زمان با روشن شدن واقعیتهای تازه درباره مکانیزم جداسازی و روابط حاکم بر مدل تکمیل تر شده و نتایج بهتری را ارائه نموده‌اند [8]. ازجمله مدل هایی که نتایج خوبی جهت توصیف فرآیندهای اسمز معکوس با دقت بسیار بالا ارائه کرده است، مدلی است تحت عنوان مدل اصلاح شده نیروی سطحی- جریان حفره‌ای[7] یا مدل MD-SF-PF ونیزمدل کامل‌تر آن یعنی مدل[8]Ex-MD-SF-PF،که هردومدل توسط مهدیزاده و همکارانش ارائه شده اند] 10-9[.حسن این دو مدل این است که توانسته‌اند بر اساس یک مکانیزم فیزیکی، علاوه بر تعیین روابط حاکم بر فرآیندهای اسمز معکوس، عملکرد غشاها را در شرایط مختلف عملیاتی با دقت بالایی پیشگویی نمایند.عمده‌ترین مشکل در استفاده از این مدل ها حل معادلات دیفرانسیل غیر خطی آنهامی باشد. برای حل معادلات این دو مدل از روش عددی بر هم گذاری متعامد[9] استفاده شده است [11].در این تحقیق ابتدا چندین تابع اصطکاک و پتانسیل از میان توابع مختلف ارزیابی شده، انتخاب گشته و پس از جایگزینی در مدلEx-MD-SF-PF به کمک برنامه نویسی در نرم افزار Matlab و بهینه سازی، میزان توانایی و قدرت مدل های جدید در پیشگویی عملکرد غشاهای اسمز معکوس مورد بررسی قرار گرفته است که بعداً در قسمت نتایج مشاهده گردید که نه تنها مدل های جدید قادر به پیش‌بینی عملکرد غشاهای اسمز معکوس هستند بلکه بعضاً برخی از مدل های ارائه شده، نتایج بهتری نسبت به مدل MD-SF-PF و Ex-MD-SF-PF دارند.از طرفی معادلات غیر خطی حاکم بر مدل با استفاده از روشهای عددی اختلاف محدود[10] و حجم محدود[11] حل شده و آن گاه نتایج بدست آمده برای عملکرد غشا با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده‌اند.1-3-  اهداف همان طور که گفته شد، در این تحقیق به دنبال یافتن توابع پتانسیل و اصطکاک جدید برای جایگزینی در مدل Ex-MD-SF-PF و ارائه مدل جدیدتر هستیم. بدین منظور با استفاده از بهینه سازی، توابع اصطکاک و پتانسیل را که قادر به پیش‌بینی نتایج آزمایشگاهی باشند، از میان توابع مختلف و متنوع انتخاب نموده و پارامترهای مورد نیاز مدل را تعیین می کنیم.از طرفی چون معادلات حاکم بر مدل MD-SF-PF وEx-MD-SF-PF پیچیده و غیر خطی هستند و حل آنها توسط روش عددی بر هم گذاری متعامد صورت گرفته است، مستلزم انجام محاسبات پیچیده ریاضی و صرف زمانی طولانی می باشد. با استفاده از روش های عددی مانند اختلاف محدود و حجم محدود معادلات انتگرالی و دیفرانسیلی حاکم بر مدل به معادلات ساده جبری تبدیل می شوند تا از انجام محاسبات تکراری جلوگیری کرده و همگرایی داده ها با سرعت بیشتری صورت گیرد.1-4-  غشاها و فرآیندهای غشاییاصولاً غشا مانعی است بین دو محلول که دارای غلظت های متفاوتی می باشند. این مانع علاوه بر اینکه از مخلوط شدن محلول ها جلوگیری می کند، برای رسیدن به حالت تعادل (یکسان شدن پتاسیل شیمیایی دو طرف) بر اساس نیروی محرکه و مکانیزمی خاص، به بعضی از مواد (معمولاً حلال) اجازه عبور داده و از عبور بعضی از مواد (معمولاً ماده حل شده) ممانعت به عمل می آورد. غشاها بر دو نوعند: غشاهای طبیعی که در بدن موجودات زنده محتویات سلول را احاطه می کنند و غشاهای مصنوعی پلیمری که انواع مختلفی دارند و بسته به نوع آن، نیروی محرکه و شرایط آزمایشی، مصارف صنعتی گوناگونی دارند و بر اساس آن فرآیندهای غشایی متنوعی پدید می آیند که در همگی آنها غشا نقش اساسی را ایفا می کند. به عنوان مثال: اسمز معکوس، نانوفیلتراسیون،[12] اولترافیلتراسیون،[13] میکروفیلتراسیون،[14]  الکترودیالیز،[15]  تبخیر تراوشی[16]  و غیره [12].تفاوت این فرآیند ها در مکانیزم عبور از غشا و نیروی محرکه اصلی فرآیند است که باعث کاربردهای متنوع آن ها نیز شده است. به عنوان مثال، در اسمز معکوس که برای جداسازی موادمحلول بسیار ریز مانند یون ها به کار می رود، نیروی محرکه اصلی عبارت است از اختلاف فشار هیدرواستاتیکی دو سمت غشا،که میزان آن خیلی بالاتر از فشار اسمزی محلول می باشد. یک عامل مهم تر در جداسازی، علاوه بر ممانعت فضایی[17]  یا غربال مولکولی،[18] نیروی اندرکنش پتانسیلی بین ماده پلیمری غشا و موادمحلول است. در حالی که دراولترافیلتراسیون که برای جداسازی مواد بزرگتر مانند پروتئین ها به کار می رود، نیروی محرکه اصلی که همان اختلاف فشار دو سر غشا می باشد، به میزان خیلی کمتر از مشابه آن در اسمز معکوس می باشد و مکانیزم جداسازی بیشتر بر ممانعت فضایی استوار است. بنابراین حیطه عملکرد هر یک از این فرآیندها بر اساس طیف اندازه ذراتی است که جدا می کنند. با توجه به مطالب فوق اسمز معکوس کاربردهای متنوعی را در صنایع مختلف به خود اختصاص داده است، به طوریکه امروزه یکی از مهم ترین فرایندهای غشایی محسوب شده و به عنوان یک عملیات واحد استاندارد در مهندسی شیمی تثبیت شده است [3 و8].فرآیندهای غشایی دارای مزیت هایی به شرح زیر می باشند:الف- این فرآیندها اساساً ساده هستند.ب- دامنه کاربرد این تکنولوژی بسیار وسیع و متنوع است.ج- شار عبوری  و جداسازی  بالایی دارند.د- معمولاً تغییر فاز در آن وجود ندارد که این عامل مزیت های زیادی را دارد، از جمله باعث کاهش انرژی لازم می شود. به عنوان مثال، در یک تبخیر کننده تک مرحله‌ای حدود 2260 کیلوژول انرژی، ولی در یک سیستم اسمز معکوس که در فشار 68 اتمسفر کار می کند فقط به 23 کیلوژول انرژی به ازای هر کیلوگرم آب خالص تولیدی احتیاج است. مزیت دیگر عدم تغییر فاز، در این است که در مورد موادی که نسبت به حرارت حساسند، مانند مواد غذایی و مواد دارویی می تواند به کار گرفته شود.هـ - در دمای ثابت عمل می‌کنند، بنابراین هیچگونه گرمادهی یا سرمادهی لازم نیست  ] 13].تعداد صفحه :121قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09309714541 (فقط پیامک)        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  -- --

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید

1 پاسخ

بخش دیدگاه ها غیر فعال است.