تعداد صفحات : ۷۱صفحه فرمت : ورد ۲۰۰۳

بررسی انتقال جرم در سیستم های مایع-مایع حاوی نانو ذرات

مقدمه

با توجه به اهمیت راندمان انتقال جرم به عنوان مهمترین خصوصیت جهت طراحی یک دستگاه جداسازی و نقشی که این پارامتر در انتخاب نوع دستگاه مورد نظر ایفا می کند ، در این پروژه به بررسی تغییرات این پارمتر در یک ستون استخراج پاششی پرداخته شده است. توزیع کننده ها از نوع صفحات سوراخ دار (Perforated Plates) با قطرهای متفاوت می باشند . راندمان انتقال جرم در دو مرحله تشکیل و صعود قطرات بدست آمده و تغییرات آن بر حسب پارامترهایی همچون زمان تشکیل ، ارتفاع صعود و عدد دینولدز بررسی گردید . نتایج حاکی از آن است که راندمان انتقال جرم ، چه در مرحله تشکیل و چه در مرحله صعود ، رابطه مستقیم با تلاطم و چرخشهای درونی قطرات دارد و هر عاملی که باعث تشدید تلاطم در قطرات گردد ، تاثیر مستقیم بر روی راندمان انتقال جرم خواهد داشت .

انتقال جِرم(به انگلیسی: Mass transfer)

مبحثی در مهندسی شیمی و یکی از شاخه‌های پدیده‌های انتقال است که به بررسی انتقال ماده در اثر اختلاف پتانسیل شیمیایی می‌پردازد. در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مهندسی شیمی تغییر غلظت ماده‌های درگیر در یک واکنش و ساخت فرآورده‌ای دیگر مورد نیاز است. در بسیاری از این جداسازی‌ها دگرگونی(تغییر) شیمیایی نداریم و خود ماده‌ها دست‌نخورده باقی می‌مانند. دگرگونی تنها فیزیکی بوده و به عبارت دیگر جداسازی انجام می‌دهیم. برای این جداسازی روش‌های گوناگونی است. برای نمونه محلول‌ها گاهی از روش تقطیر بهره می‌گیرند.

هر گونه حرکت ذرات مواد انتقال جرم نامیده نمی‌شود مانند بوییدن گل یا انتقال نفت از راه خط لوله ولی حل شدن قند در آب یا عصاره‌کشی با استفاده از حلال انتقال جرم است.

عملیات جداسازی در مهندسی شیمی

بطور کلی هدف بسیاری از عملیات در مهندسی شیمی، جداسازی اجزای یک محلول یا مخلوط از یکدیگر و یا دست‌یابی به یک ماده خاص از ترکیب یا مخلوط دو جزء یا چند جزء می‌باشد.آنچه که بعنوان عملیات جداسازی مورد نظر است، می‌تواند شامل جدا کردن اجزای یک مخلوط با استفاده از یک سری عملیات مکانیکی از قبیل فیلتر کردن، غربال کردن و… و یا جدا کردن اجزاء یک محلول (یا مخلوط همگن) به مواد خاص تشکیل دهنده آن باشد. عملیات جداسازی اجزاء یک محلول می‌تواند به همراه و یا بدون انجام واکنش شیمیایی صورت کیرد. بنابراین: بخش عمده‌ای از درس عملیات انتقال جرم عملیات جداسازی یک محلول بدون شیمیایی می‌باشد این عملیات جایگاه ویژه‌ای نسبت به بقیه عملیات دارند؛ از جمله می‌توان تقطیر، جذب، متبلور سازی و.. را نام برد.البته سایر موارد و واحدهای عملیاتی نیز به نوبه خود پراهمیت هستند^.

تقسیم‌بندی عملیات انتقال جرم

بطور کلی عملیات انتقال جرم را با توجه به نحوه تماس و قابلیت امتزاج پذیری دو فاز می‌توان به صورت زیر تقسیم بندی نمود .

• تماس مستقیم دو فاز غیر قابل امتزاج
• تماس مستقیم بین دو فاز قابل امتزاج
• تماس غیر مستقیم دو فاز که توسط غشاء از یکدیگر جدا شده اند

تماس مستقیم دو فاز غیر قابل امتزاج

تماس دو فاز غیر قابل امتزاج مهمترین و عمده‌ترین بخش از سه مجموعه تقسیم بندی فوق را شامل می‌شود هر یک از فازهای در حال تماس با یکدیگر می‌تواند شامل یک یا چند جزء باشد. پش از انجام انتقال جرم و رسیدن به تعادل، اجزاء تشکیل دهنده فازها دارای غلظتهای متفاوتی در دو فاز خواهد بود. مثلا تماس دو فاز آب و تولوئن را در نظر بگیرید. در نقطه تعادلی (که انتقال جرمی صورت نمی‌گیرد)غلظت تولوئن در دو فاز یکی نیست .کلیه سیستمهای دو فازی در مقوله انتقال جرم قرار نمی‌گیرند. به عنوان مثال محلول نمکی را در نظر بگیرید که در حال تعادل با بخار آب می‌باشد؛ این بخارات حاوی نمک نیست و به هر حال با آنکه یک فاز خالص است اما انتقال جرم از فازی که حاوی نمک است به فاز دیکر (گاز) صورت نمی‌گیرد.

اولین و مهمترین عنصر پایه، نانوذره است.

یک نانو ذره یا نانو پودر یک ذره میکروسکوپی است که حداقل در یک بعد کمتر از ۱۰۰ نانومتر است. تحقیق نانوذرات در حال حاضر بخاطر انواع نامحدود از کاربردهای گسترده آن در زمینه های بیوپزشکی، اپتیک و الکترونیک زمینه ای از تحقیقات وسیع علمی است.

خواص نانو ذرات :

نانو ذرات توجه زیاد دانشمندان را به این دلیل به خود جلب کرده است زیرا آنها پلی میان مواد بزرگ و ساختارهای اتمی و مولکولی ایجاد می کنند. ماده بزرگ (توده ای) باید خواص فیزیکی ثابتی داشته باشد بدون توجه به اندازه آن اما در سطح نانو چنین چیزی صحت ندارد. خواص وابسته به اندازه مانند محصورشدگی کوانتمی در ذرات نیمه هادی، رزونانس پلاسمون سطحی در بعضی ذرات فلزی و ابرپارامغناطیسی در مواد مغناطیسی مشاهده می شوند.

خواص مواد هنگامی که اندازه آنها به سطح نانو نزدیک می شود تغییر می کند و درصد اتم هایی که در سطح یک ماده است اهمیت پیدا می کند. برای مواد بزرگ، بزرگ تر از یک میکرومتر درصد اتم هایی که در سطح است نسبت به تعداد کل اتم های ماده ناچیز می باشد. خواص جالب و گاهی غیرمنتظره نانوذرات تا حدودی بخاطر ابعاد سطحی ماده است که این خواص را تحت تاثیر دارد.

نانو ذرات نسبت به مواد بزرگ خواص بخصوصی را از خود نشان می دهند، برای مثال خم شدن مس توده ای بصورت سیم یا نوار و غیره با حرکت اتم های مس در اندازه حدود ۵۰ نانومتر رخ می دهد. نانو ذره مس در اندازه کوچکتر از ۵۰ نانومتر جزء مواد فوق سخت است که انعطاف پذیری و چکش خواری مثل مس حجیم ندارد. این تغییر در خواص همیشه هم مطلوب نیست. مواد فروالکتریک کوچکتر از ۱۰ نانومتر می توانند جهت مغناطیس شدن خود را با استفاده از انرژی گرمایی اطاق تغییر دهند و بنابراین از آنها نمی توان بعنوان حافظه جهت ذخیره سازی اطلاعات استفاده کرد.

نانوذرات نسبت سطح به حجم بسیار بالایی دارند. به این ترتیب نفوذپذیری بسیار بالایی مخصوصا در دماهای بالا دارند. کلوخه شدن ممکن است در دماهای پایین تر در زمان کوتاهتری نسبت به ذرات بزرگتر رخ دهد. این حقیقت بصورت نظری چگالی محصول نهایی را تغییر نمی دهد در حالی که دشواری جریان و تمایل نانوذرات به کلوخه شدن قضایا را پیچیده می کند. اثرات سطح نانو ذرات همچنین نخستین دمای ذوب را کاهش می دهد .

انواع نانو ذرات:

با توجه به ترکیب شیمیایی، این ذرات به انواع فلزی، سرامیکی، پلیمری و نیمه‌هادی تقسیم می‌شوند.

علاوه بر این نانوذرات ترکیبی نظیر ساختارهای هسته ‌لایه را نیز در بر می‌گیرند. همچنین نانوکره‌ها، نانومیله‌ها، و نانوفنجان‌‌ها تنها اشکالی از نانو ذرات در نظر گرفته می شوند. نانوذرات در اندازه‌های پایین نانوخوشه به حساب می‌آیند. نانوبلور‌ها و نقاط ‌کوانتومی نیمه هادی نیز زیرمجموعه نانوذرات هستند.

فهرست مطالب

انتقال جِرم(به انگلیسی: Mass transfer)

عملیات جداسازی در مهندسی شیمی

تقسیم‌بندی عملیات انتقال جرم

خواص نانو ذرات

انواع نانو ذرات

سونوشیمی

تعادل مایع-مایع در سیستم های دوجسمی حاوی نانو ذرات

فرایند انحلال

مدل سازی برجهای پاششی بعنوان یک سیستم مایع-مایع بر مبنای اصول انتقال جرم

بررسی انتقال جرم اسید فسفریک بین محیط آبی و آلی در ستون پاششی حاوی نانو ذرات

بررسی راندمان انتقال جرم در یک ستون استخراج پاششی با جریان غیر همسو حاوی نانو ذرات

اثر سورفکتانت ( عامل فعال سطحی )

اثر عوامل فعال سطحی به میزان انتقال جرم در سیستم های حاوی نانو ذرات

انواع ستون های پاششی حاوی نانو ذرات

اصول کار و طراحی خشک‌کن پاششی حاوی حاوی نانو ذرات

منابع