مقدمه:

اختلاط دو مايع امتزاج ناپذير ، بگونه اي است كه يك مايع در مايع ديگر پراكنده شده و ايجاد قطره مي نمايد . توزيع اندازه قطرات (كه ناشي از دو پديده مخالف هم يعني شكسته شدنو در هم ادغام شدن قطرات مي باشد ) نقش مهمي در كارايي بسياري از فرآيندهاي صنعتي از قبيل توليد مواد شيميايي ، معدني ، نفت، مواد داروئي ، غذايي و غيره دارد. براي سيستمهاي پراكنده مايع – مايع كه در آنها انتقال جرم يا واكنش شيميايي صورت مي گيرد ، نسبت مساحت سطح به حجم قطرات بايستي در حد اكثر ممكن باشد و اين يعني كوچكتر شدن هر چه بيشتر قطرات . اما اين امر مسائلي نيز به دنبال دارد مانند افزايش زمان جدائي دو فاز . بنا براين همواره به دنبال يك توزيع اندازه قطره بهينه هستيم و اين توزيع بستگي به نرخ كوالسنس و شكسته شدن قطرات و اينكه كدام تعين كننده باشد دارد .

فهرست مطالب

فصل اول : كليات                                                                               6-3

    1 -1)هدف                                                                                   5-4

     1 -2)پيشينه تحقيق                                                                          6-5

  • -3)روش كار و تحقيق 6

فصل دوم :كوالسنس قطره درون فصل مشترك مايع- مايع                                    22-7

    2-1) كوالسنس قطره درون فصل مشترك مايع-مايع                                         8

   1-1-2) مراحل انجام كوالسنس يك قطره برروي يك فصل مشترك مايع – مايع      8-10

  • 2-) مطالعات آزمايشگاهي انجام شده را مي توان به صورت جداگانه بررسي كرد.                 11

    2 -2-1) مرحله ابتداي رقيق شدگي فيلم                                               11-13

   2 -2-2) مرحله آخر رقيق شدگي فيلم                                                  13-14

  • -2-3) پايداري فيلم رقيق شده                                   15-14

      2-2-4)زمان كوالسنس براي قطرات و يا حباب هاي كوچك در سطح مشترك        22-15

 2

فصل سوم :كوالسنس چند مرحله اي قطرات منفرد در فصل مشترك مايع               31-23

مايع

  • 1-) كوالسنس چند مرحله اي قطرات منفرد در فصل مشترك مايع – مايع                 24-26

   32-) اثر پارامترهاي مختلف بر فرايند كوالسنس                                            62

   1-2- 3) اندازه قطره                                                                         62

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

   3 -2-3) اختلاف دانسيته دو فاز                                                             28

   3 -2-4) وضعيت انحناي سطح مشترك نسبت به قطره                                     28

    3-2-5)اثر ويسكوزيته ها                                                                   28

   3 -2-6) كشش بين سطحي                                                                  28

   3 -2-7) گراديان كشش بين سطحي                                                         29

  3 -2-8 )عوامل فعال كننده سطح                                                               03

3 -2-9)لايه دوبل الكتريكي و PH ( دو لايه اي الكتريكي )                                 30

3 -2-10) ارتعاشات                                                                          31-30

-2-11) ميدان الكتريكي                                                                         31

3

فصل چهارم: سيستم هاي مايع مايع استخراج ناپذير                                     42-32

  • -1) سيستم هاي مايع – مايع استخراج ناپذير                                          34-33

4 -2) كاربردهاي صنعتي                                                                    35-34

4 -3) دستگاه هاي اختلاط مايع – مايع                                                        35

44-) انواع استيرر                                                                          36-39

45-) پديده هاي شكسته شدن ،كوالسنس ، وارونگي فاز                                  39-41

  • – 6) وارونگي فازي                                                                      41-42

4

فصل پنجم: قطرات                                                                          43-82

  • – 1)سايز متوسط قطره و توزيع ساير قطره 44

5 -2 ) نقش مواد فعال سطحي و ذرات جامد و ديگر مواد در كنترل سايز قطره         45-44

5 -3 ) طبقه بندي رژيم هاي جريان و و غلظت مايعات                                      46

5 -3-1 ) رژيمهاي جريان : آرام –گذرا – توربولنسي                                       46

  • -3-2) غلظت فاز ناپيوسته ( فاز پراكنده ) 46

5-3 -3) سيستم هاي رقيق : 01/0<Φ                                        ا              47-46

5 -3-4) سيستم هاي با غلظت مياني : 2/0<Φ                                   ا             47

5 -3-5) سيستم هاي غليظ :2/0>Φ                                  ا                          47

5 -3-6 ) ملاحظات ديگر                                                                  47-48

  • -4 ) پراكندگي قطره در جريان توربولانسي                                           84

1-4- 5) تئوري كلاسيك كولموگروف                                                     48-49

5-4-2)مدلهاي مكانيستيك و رابطه آن با سايز متوسط قطره                               51-49

5 -4-3 ) ويسكوزيته پايين فاز نا پيوسته ( پراكنده)                                          52-51

 5 -4-4) فاز ناپيوسته غليظ                                                                   54-52

5 – 5 ) فرايند كوالسنس در سيستم رقيق مايع – مايع                                         54

5 -5-1) تعريف كوالسنس قطره – قطره                                                    55-54

  • -5-2 ) ضريب كارايي كوالسنس                                                    56-55
    • 3)ديدگاه هاي تجربي براي ظرف هاي استيرر توربونس                   60-56

5-5-4)فاكتورهاي موثر در كوالسنس                                                        63-60

5-5-5)مكانيسم هاي كوالسنس در جريانات مخلوط كننده                                  63-65

6-5)مطالعات تفضيلي قطرات منفرد يا قطرات برخورد كننده                            65-66

1-6-5)كوالسنس قطره منفرد با سطح مشترك مسطح                                          66

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

  • 3)نتايج كاربردي حاصل از مطالعات قطره منفرد و جفت قطره 70-68

5-7)فركانس كوالسنس در جريان توربولنسي                                                73-70

5-8)قطراتي با ويسكوزيته كم با سطوح مشترك به طور جزئي متحرك                    77-73

5-9)قطراتي با ويسكوزيته بالا با سطوح مشترك بي تحرك ( ساكن )                        78

5-10)قطرات تغيير شكل نداده با سطوح مشترك بي تحرك                                 79-78

  • 11)قطرات تغيير شكل پذيرتحت فشار لاپلاسي                                  79
    • قطرات تغيير شكل پذير تحت سايز قطره كوچكتر                        80-79
    • رژيم هاي كوالسنس و شكستگي                                           81-80

5

فصل ششم: نتيجه گيري و پيشنهادات                                                         87-83

نتيجه گيري                                                                                  84-87

پيوست ها                                                                                      95-88

فهرست علائم                                                                                    89

فهرست منابع لاتين                                                                           94-90

چكيده انگليسي                                                                                   95

 فهرست جدول

5 -1 : كلاسه بندي سايز قطرات براي سيستم هاي مايع – مايع امتزاج ناپذير               54

2-5: توصيف كوالسنس پذيري سيستمهاي مايع – مايع امتزاج ناپذيري                       76

فصل اول :كليات

1 -1)هدف

همانطور كه گفته شد سيستمهاي پراكنده نقش مهمي در فرايندهاي عمليات مهندسي شيمي و واكنشهاي شيميايي دارند.در آن واكنشهاي شيميايي كه سطح مشترك عامل تعيين كننده سرعت است و عمليات هاي انتقال جرم و حرارت ،هر چه قطرات ريزتري داشته باشيم ،نرخ انجام فرايند افزايش مي يابد.اما اين امر مشكلاتي را نيز به همراه دارد و زمان جداسازي فازها ممكن است روزها بطول بانجامد كه هرگز مطلوب نمي باشد.همچنين ريزتر كردن قطرات هزينه هاي عملياتي را بالا ميبرد.بنابراين در طراحي هاي سيستم هاي پراكنده همواره يك توزيع اندازه قطره بهينه مورد نظر است.اين توزيع ممكن است باريك و يا گسترده باشد كه مسلما توزيعي مناسب است كه داراي كمترين انحراف استاندارد باشد.اين توزيع علاوه بر مشخصات فازها (ويسكوزيته،دانسيته،كشش بين سطحي)به ساختار هندسي و دور همزن نيز بستگي دارد كه همگي آنها را ميتوان در نرخهاي شكسته شدن و كوالسنس قطرات خلاصه كرد.

در طراحي بهينه سيستمهاي پراكنده در تانك هاي اختلاط شونده از نوع همزني بايستي استفاده كرد كه با مصرف كمترين ميزان انرژي ،پراكندگي مورد نظر را در سريعترين زمان ممكن بوجود آورد.همزن توربيني شش تيغه اي (معروف به توربين راشتون)با توجه به مشخصات پراكنده سازي خوبي كه دارد براي اين منظور در محدوده هاي ويسكوزيته كم و در مطالعات سيستم پراكنده مايع –مايع عموما بكار مي رود.اگر مكانيسم تعيين كننده اندازه قطرات مجهول باشد،امكان طراحي مناسب عمليات سخت مي گردد و ممكن است مسائل مختلفي بوجود آيد،مثلا;اصلا به اندازه مطلوب قطره دست نمي يابيم يا اينكه بعد از مدت طولاني اين امر حاصل شود و يا حتي اندازه قطر متوسط مطلوب بدست آمده باشد ولي توزيع خيلي گسترده باشد.

انتقال جرم و واكنشهاي شيميايي بر نرخهاي شكسته شدن و كوالسنس و در نتيجه توزيع اندازه قطرات تاثير دارد.اين امر ميتواند به دليل تغيير مشخصات فيزيكي فازها باشد و يا اينكه جزء سوم ديگر بر رفتار كوالسنس  تاثيرات مختلفي داشته باشد.در مطالعات سيستمهاي پراكنده سعي ميكنند تا آنجا كه امكان دارد فازها خالص و عاري از هركونه ناخالصي باشد تا اثرات پارامترهاي سيستماتيك و مكانيك سيالاتي بهتر مشخص گردد.

اگر سيستم ذاتا كوالسنس كنننده باشد،يا اينكه درصد حجمي فاز پراكنده بالا باشدو يا انرژي توربلانسي فاز پيوسته براي شكستن قطرات كافي نباشد،دورهاي پايين همزن به قطرات بزرگي خواهد شد.اگر شرايط به گونه اي باشد كه نرخهاي شكسته شدن و كوالسنس قابل مقايسه با هم باشند،احتمالا خيلي دير به توزيع مورد نظر دست خواهيم يافت و اگر طراحي تانك و همزن و شرايط عملياتي بخوبي صورت نگرفته باشد ،توزيع خيلي گسترده اي ممكن است حاصل آيد. در اين پروژه هدف دانستن مكانيسم تعيين كننده اندازه قطرات و توزيع اندازه قطرات كه نقش تعيين كننده در طراحي بهينه تانكهاي اختلاط شونده دارد،مي باشد.

1-2)پيشينه تحقيق

بسياري از نتايج آزمايشگاهي با تشكيل قطره در يك نازل و سپس رها شدن آن بر روي فصل مشترك مايع-مايع بدست آمد، بطوري كه زمان پيوند قطره را بتوان اندازه گيري كرد. اولين مطالعه دانشگاهي توسط رانولدز1 (1881) با شاهد پيوند قطرات باران در يك استخر انجام شد و اين مسئله توسط ورسينگتون2 (1895) و اسملوچوسكي3 (1971) ,با عكس برداري كه آنها را قادر ساخت تا پديده هاي پيچيده اي را مشاهده كنند ، پيگيري شد و آنها را به سوي مكانيسم تشكيل قطره كوچك هدايت كرد. يك تعريف اجمالي از زمان پيوند يك قطره در فصل مشترك را از زمان توليد يك قطره در نازل تا رسيدن به نقطه اي كه محتويات قطره به داخل فاز همگون منتقل شود در نظر مي گيرند.يك لايه نازك از سيال فاز پيوسته بين قطره و فصل مشترك حائل مي شود ، اين لايه بايد قبل از  اينكه عمل گسيخته شدن و سپس انتقال به داخل فاز همگون اتفاق بيافتد، تخليه شود و تخليه اين لايه نازك فرايند پيوند قطره را كنترل مي كند.

فصل دوم:كوالسنس قطره درون فصل مشترك مايع-مايع

 كوالسنس قطره درون فصل مشترك مايع-مايع2-1) كوالسنس1 قطره درون فصل مشترك مايع-مايع : بسياري از نتايج آزمايشگاهي با تشكيل قطره در يك نازل و سپس رها شدن آن بر روي فصل مشترك مايع-مايع بدست آمد، بطوري كه زمان پيوند قطره را بتوان اندازه گيري كرد.

اولين مطالعه دانشگاهي توسط رانولدز2 (1881)[1] با شاهد پيوند قطرات باران در يك استخر انجام شد و اين مسئله توسط ورسينگتون3 (1895) [2]و اسملوچوسكي4 (1971)[3] ,با عكس برداري كه آنها را قادر ساخت تا پديده هاي پيچيده اي را مشاهده كنند ، پيگيري شد و آنها را به سوي مكانيسم تشكيل قطره كوچك هدايت كرد. يك تعريف اجمالي از زمان پيوند يك قطره در فصل مشترك را از زمان توليد يك قطره در نازل تا رسيدن به نقطه اي كه محتويات قطره به داخل فاز همگون منتقل شود در نظر مي گيرند.يك لايه نازك از سيال فاز پيوسته بين قطره و فصل مشترك حائل مي شود ، اين لايه بايد قبل از اينكه عمل گسيخته شدن و سپس انتقال به داخل فاز همگون اتفاق بيافتد ،تخليه شود و تخليه اين لايه نازك فرايند پيوند قطره را كنترل مي كند[4].

1-1-2)مراحل انجام كوالسنس يك قطره برروي يك فصل مشترك مايع – مايع: – زماني كه قطره به فصل مشترك مي رسد به دليل داشتن مومنتوم و با شروع بر همكنش هاي هيدروديناميكي برروي سطح ، ايجاد موج و فرورفتگي مي كند و مدتي برروي فصل مشترك نوسان مي كند .

  • -در اين مرحله هم زمان با كم شدن موجها و فروكش كردن نوسانات ، تخليه فرورفتگي ايجاد شده در زير قطره به تدريج به درون فاز پيوسته آغاز شده و يك فيلم نازك با ضخامت يكسان از فاز پيوسته بين قطره و فصل مشترك تشكيل مي شود. اين دو مرحله در حدود 085/0 -60/0 ثانيه طول مي كشند كه از آنها صرف نظر مي شود.
  • -به تدريج با تغيير در ضخامت فيلم ، روزنه هايي در آن ايجاد شده كه از آن طريق ، محتويات قطره به داخل فاز همگون منتقل مي شود كه باعث نازك شدن فيلم و رسيدن به ضخامت بحراني شود .
  • -گسيختگي فيلم در ضخامت بحراني و حذف فيلم و شروع فرايند ادغام قطره و فاز پيوسته ، زمان اين دو مرحله در واقع بيانگر زمان كوالسنس مي باشد.
  • -تخليه قطره به درون فاز همگون ، كه اين فرايند مي توان به صورت كلي و يا جزئي انجام شود . در حالت تخليه جزئي ، قطره ثانويه اي تشكيل مي شود كه خود اين قطره احتمال دارد در يك پروسه كوالسنس كه از نظر ديناميكي شبيه كوالسنس اول است شركت كند كه اين عمل تا 8 بار نيز گزارش شده است كه اين پديده چند مرحله اي كوالسنس قطره1 را كوالسنس پاره اي گويند[5]كه اين مراحل در شكل 2-2 نشان داده شده است.

فصل سوم

فصل سوم :كوالسنس چند مرحله اي قطرات منفرد در فصل مشترك مايع – مايع 31-) كوالسنس چند مرحله اي قطرات منفرد در فصل مشترك مايع – مايع:

مكانيسم كوالسنس قطره ممكن است در چندين مرحله متوالي ملاحظه بشود:

  • -قطره به فصل مشترك نزديك شده و بر همكنش هيدروديناميكي و فرورفتگي ايجاد مي شود.
  • – تخليه فرورفتگي ايجاد شده و تشكيل يك فيلم با ضخامت يكسان.
  • – تغيير و ضخامت فيلم و گسستگي فيلم .
  • – تخليه كامل قطره درون فاز پيوسته يا تخليه جزئي و تشكيل قطره ثانويه كه خود اين قطره احتمال دارد كه در يك پروسه كوالسنس كه از نظر ديناميكي شبيه كوالانس اول است شركت كند و قطره يا قطرات سومي را پديد آورد كه اين روند تا 8 بار نيز گزارش شده است. مشاهدات تجربي نشان داد كه بدون حضور مواد فعال سطحي ، قطرات روغن تشكيل شده در فاز آب با تغيير چند مرحله اي سايز قطره با سطح مشترك آب- روغن پيوندي برقرار مي كنند . اولين بار توسط ماهاجان1(1930)[26]، پديده چند مرحله اي كوالنس قطره كه به نام كوالنس جزئي2 شناخته ميشود،در سطح مشترك گزارش شد . همچنين توسط لابلانس1(1994) [27]گزارشاتي داده شد كه نشان داد:

 – تعداد مراحل كوالسنس.

  • – ارزيابي نسبت سايز قطره ( قطره ابتدايي به قطره ثانويه).
  • – فاصله زماني براي رخ دادن تعدادي مراحل كوالسنس .

چارلز و ماسون با استفاده از يك دوربين با سرعت بالا كوالسنس جزئي را بازبيني كردند آنها مشاهدهكردند كه  بعد از گسيختگي فيلم ، تخليه قطره به سرعت آغاز شده و به سبب فشار داخلي اضافي تخليه قطره ابتدا از ته و كناره بوده و يك استوانه (ستون ) تشكيل ميشود. ارتفاع استوانه ثابت مي ماند تا زمانيكه شعاع آن كاهش پيدا كند . وقتي كه محيط دايره استوانه كمتر يا مساوي ارتفاع آن شود، شبيه يك جت ناپايدار مي شود كه در آن آشفتگي رايلي2گسترده شده است وقتي كه دامنه آشفتگي مساوي شعاع استوانه شود ، استوانه شكسته شده و مايع تخليه نشده تشكيل قطره ثانويه را مي 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