مقدمه:

اختلاط دو مایع امتزاج ناپذیر ، بگونه ای است که یک مایع در مایع دیگر پراکنده شده و ایجاد قطره می نماید . توزیع اندازه قطرات (که ناشی از دو پدیده مخالف هم یعنی شکسته شدنو در هم ادغام شدن قطرات می باشد ) نقش مهمی در کارایی بسیاری از فرآیندهای صنعتی از قبیل تولید مواد شیمیایی ، معدنی ، نفت، مواد داروئی ، غذایی و غیره دارد. برای سیستمهای پراکنده مایع – مایع که در آنها انتقال جرم یا واکنش شیمیایی صورت می گیرد ، نسبت مساحت سطح به حجم قطرات بایستی در حد اکثر ممکن باشد و این یعنی کوچکتر شدن هر چه بیشتر قطرات . اما این امر مسائلی نیز به دنبال دارد مانند افزایش زمان جدائی دو فاز . بنا براین همواره به دنبال یک توزیع اندازه قطره بهینه هستیم و این توزیع بستگی به نرخ کوالسنس و شکسته شدن قطرات و اینکه کدام تعین کننده باشد دارد .

فهرست مطالب

فصل اول : کلیات                                                                               6-3

    1 -1)هدف                                                                                   5-4

     1 -2)پیشینه تحقیق                                                                          6-5

  • -3)روش کار و تحقیق 6

فصل دوم :کوالسنس قطره درون فصل مشترک مایع- مایع                                    22-7

    2-1) کوالسنس قطره درون فصل مشترک مایع-مایع                                         8

   1-1-2) مراحل انجام کوالسنس یک قطره برروی یک فصل مشترک مایع – مایع      8-10

  • 2-) مطالعات آزمایشگاهی انجام شده را می توان به صورت جداگانه بررسی کرد.                 11

    2 -2-1) مرحله ابتدای رقیق شدگی فیلم                                               11-13

   2 -2-2) مرحله آخر رقیق شدگی فیلم                                                  13-14

  • -2-3) پایداری فیلم رقیق شده                                   15-14

      2-2-4)زمان کوالسنس برای قطرات و یا حباب های کوچک در سطح مشترک        22-15

 2

فصل سوم :کوالسنس چند مرحله ای قطرات منفرد در فصل مشترک مایع               31-23

مایع

  • 1-) کوالسنس چند مرحله ای قطرات منفرد در فصل مشترک مایع – مایع                 24-26

   32-) اثر پارامترهای مختلف بر فرایند کوالسنس                                            62

   1-2- 3) اندازه قطره                                                                         62

  2-2- 3) ارتفاع سقوط یا صعود قطره                                                   26-28

   3 -2-3) اختلاف دانسیته دو فاز                                                             28

   3 -2-4) وضعیت انحنای سطح مشترک نسبت به قطره                                     28

    3-2-5)اثر ویسکوزیته ها                                                                   28

   3 -2-6) کشش بین سطحی                                                                  28

   3 -2-7) گرادیان کشش بین سطحی                                                         29

  3 -2-8 )عوامل فعال کننده سطح                                                               03

3 -2-9)لایه دوبل الکتریکی و PH ( دو لایه ای الکتریکی )                                 30

3 -2-10) ارتعاشات                                                                          31-30

-2-11) میدان الکتریکی                                                                         31

3

فصل چهارم: سیستم های مایع مایع استخراج ناپذیر                                     42-32

  • -1) سیستم های مایع – مایع استخراج ناپذیر                                          34-33

4 -2) کاربردهای صنعتی                                                                    35-34

4 -3) دستگاه های اختلاط مایع – مایع                                                        35

44-) انواع استیرر                                                                          36-39

45-) پدیده های شکسته شدن ،کوالسنس ، وارونگی فاز                                  39-41

  • – 6) وارونگی فازی                                                                      41-42

4

فصل پنجم: قطرات                                                                          43-82

  • – 1)سایز متوسط قطره و توزیع سایر قطره 44

5 -2 ) نقش مواد فعال سطحی و ذرات جامد و دیگر مواد در کنترل سایز قطره         45-44

5 -3 ) طبقه بندی رژیم های جریان و و غلظت مایعات                                      46

5 -3-1 ) رژیمهای جریان : آرام –گذرا – توربولنسی                                       46

  • -3-2) غلظت فاز ناپیوسته ( فاز پراکنده ) 46

5-3 -3) سیستم های رقیق : 01/0<Φ                                        ا              47-46

5 -3-4) سیستم های با غلظت میانی : 2/0<Φ                                   ا             47

5 -3-5) سیستم های غلیظ :2/0>Φ                                  ا                          47

5 -3-6 ) ملاحظات دیگر                                                                  47-48

  • -4 ) پراکندگی قطره در جریان توربولانسی                                           84

1-4- 5) تئوری کلاسیک کولموگروف                                                     48-49

5-4-2)مدلهای مکانیستیک و رابطه آن با سایز متوسط قطره                               51-49

5 -4-3 ) ویسکوزیته پایین فاز نا پیوسته ( پراکنده)                                          52-51

 5 -4-4) فاز ناپیوسته غلیظ                                                                   54-52

5 – 5 ) فرایند کوالسنس در سیستم رقیق مایع – مایع                                         54

5 -5-1) تعریف کوالسنس قطره – قطره                                                    55-54

  • -5-2 ) ضریب کارایی کوالسنس                                                    56-55
    • 3)دیدگاه های تجربی برای ظرف های استیرر توربونس                   60-56

5-5-4)فاکتورهای موثر در کوالسنس                                                        63-60

5-5-5)مکانیسم های کوالسنس در جریانات مخلوط کننده                                  63-65

6-5)مطالعات تفضیلی قطرات منفرد یا قطرات برخورد کننده                            65-66

1-6-5)کوالسنس قطره منفرد با سطح مشترک مسطح                                          66

2-6-5)کوالسنس حاصل از برخورد دو قطره                                             66-68

  • 3)نتایج کاربردی حاصل از مطالعات قطره منفرد و جفت قطره 70-68

5-7)فرکانس کوالسنس در جریان توربولنسی                                                73-70

5-8)قطراتی با ویسکوزیته کم با سطوح مشترک به طور جزئی متحرک                    77-73

5-9)قطراتی با ویسکوزیته بالا با سطوح مشترک بی تحرک ( ساکن )                        78

5-10)قطرات تغییر شکل نداده با سطوح مشترک بی تحرک                                 79-78

  • 11)قطرات تغییر شکل پذیرتحت فشار لاپلاسی                                  79
    • قطرات تغییر شکل پذیر تحت سایز قطره کوچکتر                        80-79
    • رژیم های کوالسنس و شکستگی                                           81-80

5

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات                                                         87-83

نتیجه گیری                                                                                  84-87

پیوست ها                                                                                      95-88

فهرست علائم                                                                                    89

فهرست منابع لاتین                                                                           94-90

چکیده انگلیسی                                                                                   95

 فهرست جدول

5 -1 : کلاسه بندی سایز قطرات برای سیستم های مایع – مایع امتزاج ناپذیر               54

2-5: توصیف کوالسنس پذیری سیستمهای مایع – مایع امتزاج ناپذیری                       76

فصل اول :کلیات

1 -1)هدف

همانطور که گفته شد سیستمهای پراکنده نقش مهمی در فرایندهای عملیات مهندسی شیمی و واکنشهای شیمیایی دارند.در آن واکنشهای شیمیایی که سطح مشترک عامل تعیین کننده سرعت است و عملیات های انتقال جرم و حرارت ،هر چه قطرات ریزتری داشته باشیم ،نرخ انجام فرایند افزایش می یابد.اما این امر مشکلاتی را نیز به همراه دارد و زمان جداسازی فازها ممکن است روزها بطول بانجامد که هرگز مطلوب نمی باشد.همچنین ریزتر کردن قطرات هزینه های عملیاتی را بالا میبرد.بنابراین در طراحی های سیستم های پراکنده همواره یک توزیع اندازه قطره بهینه مورد نظر است.این توزیع ممکن است باریک و یا گسترده باشد که مسلما توزیعی مناسب است که دارای کمترین انحراف استاندارد باشد.این توزیع علاوه بر مشخصات فازها (ویسکوزیته،دانسیته،کشش بین سطحی)به ساختار هندسی و دور همزن نیز بستگی دارد که همگی آنها را میتوان در نرخهای شکسته شدن و کوالسنس قطرات خلاصه کرد.

در طراحی بهینه سیستمهای پراکنده در تانک های اختلاط شونده از نوع همزنی بایستی استفاده کرد که با مصرف کمترین میزان انرژی ،پراکندگی مورد نظر را در سریعترین زمان ممکن بوجود آورد.همزن توربینی شش تیغه ای (معروف به توربین راشتون)با توجه به مشخصات پراکنده سازی خوبی که دارد برای این منظور در محدوده های ویسکوزیته کم و در مطالعات سیستم پراکنده مایع –مایع عموما بکار می رود.اگر مکانیسم تعیین کننده اندازه قطرات مجهول باشد،امکان طراحی مناسب عملیات سخت می گردد و ممکن است مسائل مختلفی بوجود آید،مثلا;اصلا به اندازه مطلوب قطره دست نمی یابیم یا اینکه بعد از مدت طولانی این امر حاصل شود و یا حتی اندازه قطر متوسط مطلوب بدست آمده باشد ولی توزیع خیلی گسترده باشد.

انتقال جرم و واکنشهای شیمیایی بر نرخهای شکسته شدن و کوالسنس و در نتیجه توزیع اندازه قطرات تاثیر دارد.این امر میتواند به دلیل تغییر مشخصات فیزیکی فازها باشد و یا اینکه جزء سوم دیگر بر رفتار کوالسنس  تاثیرات مختلفی داشته باشد.در مطالعات سیستمهای پراکنده سعی میکنند تا آنجا که امکان دارد فازها خالص و عاری از هرکونه ناخالصی باشد تا اثرات پارامترهای سیستماتیک و مکانیک سیالاتی بهتر مشخص گردد.

اگر سیستم ذاتا کوالسنس کنننده باشد،یا اینکه درصد حجمی فاز پراکنده بالا باشدو یا انرژی توربلانسی فاز پیوسته برای شکستن قطرات کافی نباشد،دورهای پایین همزن به قطرات بزرگی خواهد شد.اگر شرایط به گونه ای باشد که نرخهای شکسته شدن و کوالسنس قابل مقایسه با هم باشند،احتمالا خیلی دیر به توزیع مورد نظر دست خواهیم یافت و اگر طراحی تانک و همزن و شرایط عملیاتی بخوبی صورت نگرفته باشد ،توزیع خیلی گسترده ای ممکن است حاصل آید. در این پروژه هدف دانستن مکانیسم تعیین کننده اندازه قطرات و توزیع اندازه قطرات که نقش تعیین کننده در طراحی بهینه تانکهای اختلاط شونده دارد،می باشد.

1-2)پیشینه تحقیق

بسیاری از نتایج آزمایشگاهی با تشکیل قطره در یک نازل و سپس رها شدن آن بر روی فصل مشترک مایع-مایع بدست آمد، بطوری که زمان پیوند قطره را بتوان اندازه گیری کرد. اولین مطالعه دانشگاهی توسط رانولدز1 (1881) با شاهد پیوند قطرات باران در یک استخر انجام شد و این مسئله توسط ورسینگتون2 (1895) و اسملوچوسکی3 (1971) ,با عکس برداری که آنها را قادر ساخت تا پدیده های پیچیده ای را مشاهده کنند ، پیگیری شد و آنها را به سوی مکانیسم تشکیل قطره کوچک هدایت کرد. یک تعریف اجمالی از زمان پیوند یک قطره در فصل مشترک را از زمان تولید یک قطره در نازل تا رسیدن به نقطه ای که محتویات قطره به داخل فاز همگون منتقل شود در نظر می گیرند.یک لایه نازک از سیال فاز پیوسته بین قطره و فصل مشترک حائل می شود ، این لایه باید قبل از  اینکه عمل گسیخته شدن و سپس انتقال به داخل فاز همگون اتفاق بیافتد، تخلیه شود و تخلیه این لایه نازک فرایند پیوند قطره را کنترل می کند.

فصل دوم:کوالسنس قطره درون فصل مشترک مایع-مایع

 کوالسنس قطره درون فصل مشترک مایع-مایع2-1) کوالسنس1 قطره درون فصل مشترک مایع-مایع : بسیاری از نتایج آزمایشگاهی با تشکیل قطره در یک نازل و سپس رها شدن آن بر روی فصل مشترک مایع-مایع بدست آمد، بطوری که زمان پیوند قطره را بتوان اندازه گیری کرد.

اولین مطالعه دانشگاهی توسط رانولدز2 (1881)[1] با شاهد پیوند قطرات باران در یک استخر انجام شد و این مسئله توسط ورسینگتون3 (1895) [2]و اسملوچوسکی4 (1971)[3] ,با عکس برداری که آنها را قادر ساخت تا پدیده های پیچیده ای را مشاهده کنند ، پیگیری شد و آنها را به سوی مکانیسم تشکیل قطره کوچک هدایت کرد. یک تعریف اجمالی از زمان پیوند یک قطره در فصل مشترک را از زمان تولید یک قطره در نازل تا رسیدن به نقطه ای که محتویات قطره به داخل فاز همگون منتقل شود در نظر می گیرند.یک لایه نازک از سیال فاز پیوسته بین قطره و فصل مشترک حائل می شود ، این لایه باید قبل از اینکه عمل گسیخته شدن و سپس انتقال به داخل فاز همگون اتفاق بیافتد ،تخلیه شود و تخلیه این لایه نازک فرایند پیوند قطره را کنترل می کند[4].

1-1-2)مراحل انجام کوالسنس یک قطره برروی یک فصل مشترک مایع – مایع: – زمانی که قطره به فصل مشترک می رسد به دلیل داشتن مومنتوم و با شروع بر همکنش های هیدرودینامیکی برروی سطح ، ایجاد موج و فرورفتگی می کند و مدتی برروی فصل مشترک نوسان می کند .

  • -در این مرحله هم زمان با کم شدن موجها و فروکش کردن نوسانات ، تخلیه فرورفتگی ایجاد شده در زیر قطره به تدریج به درون فاز پیوسته آغاز شده و یک فیلم نازک با ضخامت یکسان از فاز پیوسته بین قطره و فصل مشترک تشکیل می شود. این دو مرحله در حدود 085/0 -60/0 ثانیه طول می کشند که از آنها صرف نظر می شود.
  • -به تدریج با تغییر در ضخامت فیلم ، روزنه هایی در آن ایجاد شده که از آن طریق ، محتویات قطره به داخل فاز همگون منتقل می شود که باعث نازک شدن فیلم و رسیدن به ضخامت بحرانی شود .
  • -گسیختگی فیلم در ضخامت بحرانی و حذف فیلم و شروع فرایند ادغام قطره و فاز پیوسته ، زمان این دو مرحله در واقع بیانگر زمان کوالسنس می باشد.
  • -تخلیه قطره به درون فاز همگون ، که این فرایند می توان به صورت کلی و یا جزئی انجام شود . در حالت تخلیه جزئی ، قطره ثانویه ای تشکیل می شود که خود این قطره احتمال دارد در یک پروسه کوالسنس که از نظر دینامیکی شبیه کوالسنس اول است شرکت کند که این عمل تا 8 بار نیز گزارش شده است که این پدیده چند مرحله ای کوالسنس قطره1 را کوالسنس پاره ای گویند[5]که این مراحل در شکل 2-2 نشان داده شده است.

فصل سوم

فصل سوم :کوالسنس چند مرحله ای قطرات منفرد در فصل مشترک مایع – مایع 31-) کوالسنس چند مرحله ای قطرات منفرد در فصل مشترک مایع – مایع:

مکانیسم کوالسنس قطره ممکن است در چندین مرحله متوالی ملاحظه بشود:

  • -قطره به فصل مشترک نزدیک شده و بر همکنش هیدرودینامیکی و فرورفتگی ایجاد می شود.
  • – تخلیه فرورفتگی ایجاد شده و تشکیل یک فیلم با ضخامت یکسان.
  • – تغییر و ضخامت فیلم و گسستگی فیلم .
  • – تخلیه کامل قطره درون فاز پیوسته یا تخلیه جزئی و تشکیل قطره ثانویه که خود این قطره احتمال دارد که در یک پروسه کوالسنس که از نظر دینامیکی شبیه کوالانس اول است شرکت کند و قطره یا قطرات سومی را پدید آورد که این روند تا 8 بار نیز گزارش شده است. مشاهدات تجربی نشان داد که بدون حضور مواد فعال سطحی ، قطرات روغن تشکیل شده در فاز آب با تغییر چند مرحله ای سایز قطره با سطح مشترک آب- روغن پیوندی برقرار می کنند . اولین بار توسط ماهاجان1(1930)[26]، پدیده چند مرحله ای کوالنس قطره که به نام کوالنس جزئی2 شناخته میشود،در سطح مشترک گزارش شد . همچنین توسط لابلانس1(1994) [27]گزارشاتی داده شد که نشان داد:

 – تعداد مراحل کوالسنس.

  • – ارزیابی نسبت سایز قطره ( قطره ابتدایی به قطره ثانویه).
  • – فاصله زمانی برای رخ دادن تعدادی مراحل کوالسنس .

چارلز و ماسون با استفاده از یک دوربین با سرعت بالا کوالسنس جزئی را بازبینی کردند آنها مشاهدهکردند که  بعد از گسیختگی فیلم ، تخلیه قطره به سرعت آغاز شده و به سبب فشار داخلی اضافی تخلیه قطره ابتدا از ته و کناره بوده و یک استوانه (ستون ) تشکیل میشود. ارتفاع استوانه ثابت می ماند تا زمانیکه شعاع آن کاهش پیدا کند . وقتی که محیط دایره استوانه کمتر یا مساوی ارتفاع آن شود، شبیه یک جت ناپایدار می شود که در آن آشفتگی رایلی2گسترده شده است وقتی که دامنه آشفتگی مساوی شعاع استوانه شود ، استوانه شکسته شده و مایع تخلیه نشده تشکیل قطره ثانویه را می دهد.


مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصاله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

 

فایل pdf همراه با فایل word

قیمت35000تومان