آبشستگی (Scouring) پدیده ای است طبیعی که بشر از چندین قرن پیش موفق به کشف آن شده است. این پدیده فیزیکی یکی از مسائل اساسی و بنیادی در علم هیدرولیک است که محققین بسیاری در طی سالیان گذشته به تحقیق، آزمایش و بررسی آن پرداخته اند. در طی فرایند آبشستگی که وابسته به پارامترهای هندسی هیدرولیکی بوده که در اثر عبور جریان آب از روی دانه های رسوبی و یا برخورد به آن این ذرات شروع به حرکت کرده و همراه جریان به پایین دست منتقل شده و فرسایش بستر به زمان به وجود می آید. هرچند نوع آبشستگی که در هریک از سازه های هیدرولیکی ممکن است پدید آید متفاوت است ولی فرایند فوق تقریبا در تمامی آنها مشترک است.
فرایند آبشستگی بسیار پیچیده بوده و درک آن احتیاج به دانستن و اشراف کامل به اصول مکانیک سیالات، هیدرودینامیک جریان و هیدرولیک رسوب دارد. به طور کلی بررسی پدیده آبشستگی اندر کنش جریان و رسوب از مباحث اساسی در تحلیل و پیش بینی میزان و مقدار آبشستگی در سازه های هیدرولیکی است.
به دلیل وجود این پیچیدگی ها هرچند تحقیقات گسترده ای توسط دانشمندان و محققین علم هیدرولیک و رسوب به صورت آزمایشگاهی، تحلیل های عددی، شبکه های عصبی و منطق فازی صورت گرفته است ولی هنوز به ارائه روابط کاملی که بتواند همه پارامترهای موثر در آبشستگی را در خود جای دهد منجر نشده است. بنابراین مطالعات در این زمینه همچنان تداوم دارد. نتایج آزمایش های صورت گرفته در فلوم ها با وجود مشکلات ناشی از مقیاس مدل های هیدرولیکی و محدودیت های اندازه گیری پارامترهای موثر آبشستگی برخی معادلات تجربی به دست آمده که همگی مبین این است که فرایند آبشستگی تابعی از زمان و مکان است. درک فرایند و مکانیسم آبشستگی و پیش بینی هندسه نهایی گودال آبشستگی از این رو اهمیت دارد که حفاظت کامل بستر در مقابل با صرف هزینه های گزاف ممکن می گردد. در برخی مواقع حفاظت کامل نیز ممکن نیست. بنابراین پیش بینی دقیق و نزدیک به واقعیت عمق پیشینه و هندسه گودال آبشستگی می تواند باعث صرفه جویی در هزینه های اجرایی حفاظت بستر گردد.
جریان های خروجی از سازه های هیدرولیکی با سرعت زیاد را می توان در مجموعه جت ها طبقه بندی کرده و آبشستگی ناشی از آنها را تحت عنوان آبشستگی پایین دست جت ها مورد بررسی قرار داد. تاکنون مطالعات متعددی برروی آبشستگی ناشی از انواع مختلف جت (جت های افقی، قائم، مایل پرتابی) صورت گرفته است که هریک از انواع آن تحت شرایط جت های آزاد و مستغرق مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند و روابطی تجربی نیز توسط هریک از محققین ارائه گردیده است. هیچ یک از روابط به طور کامل نمی توانند جزئیات فرایند آبشستگی را تحت یک رابطه ریاضی مدل کنند و هنوز نیاز به تحقیقات بیشتر احساس می شود.
به دنبال تحقیقات آزمایشگاهی آبشستگی انجام شده تعدادی از محققین به بررسی آبشستگی به صورت حل عددی معادلات حاکم بر آشفتگی جریان و انتقال رسوب پرداخته اند که می توان (Ushijima et.al. -1993) و (Olsen and Melauen -1993) و Heffmans & and Boaj -1992) و صالحی نیشابوری و همکاران نام برد.
پیش بینی عمق بیشینه گودال آبشستگی و تخمین پروفیل نهایی بستر به وسیله ساخت فلوم ها و مدل های هیدرولیک در آزمایشگاه ها اگرچه می تواند منطقی برسد ولی ساختن مدل های آزمایشگاهی مستلزم صرف وقت و هزینه های زیادی است و در ضمن نمی توان نتایج حاصل از آزمایشات را به راحتی برای شرایط واقعی تعمیم داد. بنابراین لزوم وجود مدل های عددی که بتواند از طریق گسسته سازی معادلات حاکم بر میدان جریان و رسوب و اعمال یک سری فرضیات ساده کننده مسئله روابط پیچیده حاکم بر پدیده آبشستگی را به معادلات ساده تر و قابل حل تبدیل کند، به وضوح احساس می شود.
آنچه که در این فصل مدنظر قرار گرفته ی بر تحقیقات انجام شده قبلی در زمینه آبشستگی تحت شرایط مختلف می باشد. در برخی از موارد جریان آب از سازه های هیدرولیکی به صورت جت منتشر می شود. سرعت آب در جت ها معمولا آنقدر زیاد است که به فرسایش کف منجر می شود و حفره بزرگی در جلوی سازه به وجود می آید. فرایند آبشستگی یک فرایند دینامیکی بوده و در آن پارامترهایی نظیر مدت زمان، تناوب (دفعات آبگیری در بازه های زمانی) و میزان دبی های سیلابی و… دخالت دارند. اگرچه روابط گوناگون و متعددی برای تخمین حداکثر ابعاد حفره آبشستگی ارائه گردیده است، لیکن رابطه ای که بتواند در تمام حالات پاسخگو باشد هنوز به دست نیامده است. از طرفی تمام روابط موجود برای مواد بستر غیرچسبنده ارائه گردیده اند. بنابراین استفاده از این روابط برای بسترهای سنگی و مواد فرسایش پذیر چسبنده جوابگو نمی باشد. در حقیقت به نظر می رسد آبشستگی عبارت است از حرکت ذرات جامد از محل استقرار اولیه آنها به مکان دیگری تحت تاثیر جریان سیالی که آن را احاطه نموده است. حالت بحرانی آبشستگی پس از گذشتن جریان از حول یک سازه هیدرولیکی اتفاق می افتد. عموما هرجا که افزایش سرعت و تغییر جهت سرعت روی دهد و سرعت جریان از سرعت بحرانی بیشتر باشد به وقوع می پیوندد. در ادامه خلاصه ای از تحقیقات قبلی پیرامون آبشستگی ناشی از جریان های خروجی به صورت جت از سازه های هیدرولیکی و همچنین آبشستگی پس از پرش هیدرولیکی و موارد دیگر آبشستگی آورده شده است.
آبشستگی ناشی از جت ها (برخورد جت با بستر فرسایش پذیر) به انواع مختلف تقسیم بندی می شود که می توان به موارد ذیل اشاره نمود.
1) آبشستگی در اثر جت افقی (جت دیواره ای)
2) آبشستگی در اثر جت های قائم یا عمودی
3) آبشستگی در اثر جت های زاویه دار یا پرتابی
هرکدام از حالت های فوق را می توان در گروه های جت مستغرق یا جت آزاد، جت با ارتفاع ریزش زیاد یا جت با ارتفاع ریزش کم، جت هوادهی شده یا جت هوادهی نشده تقسیم بندی نمود.
آبشستگی موضعی ناشی از جت ها را می توان به صورت شماتیک در شکل (1-1) مشاهده کرد.
2-1- آبشستگی ناشی از جت های عمودی
مطالعات انجام شده توسط دودیاح و همکاران (1983) روی جت های استوانه ای توخالی و توپر عمودی نشان می دهد که با افزایش عمق پایاب، عمق آبشستگی افزایش می یابد. این وضعیت در پایاب های عمیق موجب کم شدن عمق حفره آبشستگی و نرخ انتقال رسوب می شود، در حالی که در پایاب کم عمق هم عمق حفره آبشستگی و هم نرخ آبشستگی زیاد است. طبق نتایج به دست آمده توسط این محققین اثر افزایش عمق پایاب تا حد معینی بوده و بعد از این مقدار حدی، اثر افزایش پایاب معکوس خواهد گ
ردید. به طوری که با افزایش عمق پایاب عمق آبشستگی کاهش می یابد.
امروزه در بسیاری از شهرهای بزرگ از تراکم ترافیکی، آلودگی هوا، اتلاف زمان بسیار در مسیر سفرهای روزانه افراد، افزایش مصرف سوخت و استهلاك وسایل نقلیه و … به عنوان مهم ترین چالش های مدیریت شهری نام برده می شود که البته هر یک به نوعی با رشد روزافزون جمعیت و به تبع آن توسعه شهرها و عدم تعادل بین تسهیلات حمل و نقل موجود و افزایش تقاضای سفر در ارتباط است. به منظور حل مشکلات ترافیکی و مسائل اقتصادی- اجتماعی و زیست محیطی ناشی از آن، نیاز به یک سیستم مجهز و کارآمد حمل و نقل همگانی امری ضروری است چرا که برآورده نمودن تقاضای بالقوه برای حمل و نقل بخصوص در کشورهای در حال توسعه، در گرو توسعه این سیستم می باشد. یک وسیله (سیستم) حمل و نقل همگانی نسبت به اتومبیل های شخصی در ازاء تعداد مسافر جابجاشده یکسان، سطح کمتری به خود اختصاص می دهد و انرژی کمتری هم مصرف می نماید. بنابراین علاوه بر آنکه می تواند از ازدحام معابر بکاهد، در کاهش آلودگی هوا نیز نقش بسیار مؤثری دارد. ضمن آنکه با هزینه عملیاتی کمتر مقرون به صرفه نیز می باشد.
لذا بایستی به سیستم حمل و نقل همگانی به عنوان یک راهکار کارآمد در این زمینه که بر خلاف خودروهای شخصی، در اختیار آحاد مردم جامعه قرار گرفته، تمام اقشار کم درآمد از آن بهره مند می شوند و همینطور نقش مؤثری در حل معضلات و مشکلات ناشی از تراکم ترافیک ایفا می کنند؛ اهمیت بیشتری دارد. بهبود سیستم حمل و نقل همگانی در جهت افزایش کارایی آن گامی بسزا در رسیدن به اهداف مذکور است و در این راستا طراحی سیستم در وهله اول قرار می گیرد. هدف از طراحی سیستم حمل و نقل همگانی اولا بهبود سیستم برای استفاده کنندگان موجود و ثانیا جذب مسافرین حمل و نقل شخصی است. مزایای بالفعل و بالقوه در این بحث توجه کارشناسان بسیاری را به خود جلب کرده است و بدین ترتیب این بخش از مهندسی حمل و نقل در کنار سایر بخ شهای آن سیر تکاملی خود را می پیماید و گسترش می یابد.
در این راستا گونه های جدیدی بوجود آمده که با بهر هگیری از تکنولوژی روز دنیا و ارائه مجموعه ای ایمن و با قابلیت اطمینان بالا، راحت تر، ارزان تر و پاك؛ عده بیشتری را به استفاده از حمل و نقل همگانی و در رأس آنها سیستم های سریع ترغیب نموده که منجر به میسر شدن تمامی یا بخشی از مزایای ذکر شده می گردد. از طرفی دیگر، از آنجاکه مهم ترین قسمت سیستم حمل و نقل همگانی کشورهای در حال توسعه را سیستم اتوبوسرانی تشکیل می دهد و بهبود وضعیت مجموعه حمل و نقل همگانی ارتباط مستقیم با طراحی بهینه این سیستم دارد؛ ایده طرح بکارگیری سیستم سریع اتوبوسرانی شکل می گیرد.
سیستم سریع اتوبوسرانی یک شکل انعطاف پذیر است که از چرخ لاستیکی در حمل و نقل همگانی سریع استفاده می کند تا یک سیستم یکپارچه و قوی را بوجود آورد [41]. این سامانه متناسب با محیط های پیرامونی و محلی که در آن راه اندازی می شود، طراحی گردیده و می توانند در محدوده وسیعی از مسیر ویژه اتوبوسرانی تا خیابان ها و راه هایی که اتوبوس ها به صورت مختلط با سایر وسایل نقلیه سرویس دهی دارند، به اجرا گذاشته شود. این در حالی است که خدمات با کیفیت بالای ارائه شده توسط سامانه سریع اتوبوسرانی، معمولا با سرمایه گذاری همراه خواهد بود که بیشتر شهرها می توانند آن را در حوزه حمل و نقل همگانی تأمین نمایند. لذا اجرا و احداث آن همواره به عنوان راهکار مفید توسط شهرهایی که به دنبال راه حل های حمل و نقلی مقرون به صرفه هستند، تعریف می شود.
کریستالیزاسیون یکی از متداول ترین عملیات مهندسی شیمی است. تولید عظیمی موادی چون شکر، فسفات آمونیوم، کلرور سدیم سولفات آمونیوم و… شاهدی بر این ادعا می باشد. استفاده از این روش جهت تولید مواد جامد و یا خالص سازی آنها شرایطی را به وجود آورده است که کمتر بخشی از صنایع شیمیایی را می توان یافت که در قسمتی از آن این فرایند استفاده نشده باشد. با توجه به یکی از امتیازات اساسی این روش که همانا مصرف کم انرژی می باشد پیش بینی می شود که با گرانتر شدن تدریجی انرژی این فرایند جایگزین بسیاری از روش های سنتی از قبیل تقطیر و استخراج شود. نکات فوق باعث استقبال شدید محققین بخش مهندسی شیمی به این عملیات شده و در حال حاضر تلاش زیادی در جهت بهبود مدل های ریاضی و روش های طراحی کریستالیزورها به عمل می آید.
یکی از موادی که فرایند کریستالیزاسیون در تولید و کاربرد آن نقش بسزایی دارد شکر است. از آنجایی که شکر به عنوان یک طعم دهنده و یک سنج انرژی در صنعت غذایی اهمیت دارد به بررسی و نحوه به دست آوردن آن می پردازیم.
روش های مختلفی که برای کریستالیزاسیون می توان در نظر گرفت عبارتند از:
1) روش تبخیری
2) روش کریستالیزاسیون تحت خلاء
3) روش تبریدی
از آنجایی که روش تحت خلاء کارایی بهتری دارد در کارخانجات از این روش استفاده می شود.
فصل اول: کلیات
1-1- هدف
با بررسی دقیق در این زمینه خواستیم اثر همزن و اختلاط را در زمینه کریستالیزاسیون قند و رشد و سرعت کریستال ها بررسی کنیم و همچنین ضرایب انتقال جرم را در این زمینه کریستالیزاسیون بررسی کرده و مشخص کنیم که کریستالیزاسیون انتقال جرم به صورت سطحی است یا نفوذ.
2-1- پیشینه تحقیق:
در طراحی شرایط عملیاتی یک متبلور کننده صنعتی برای تولید کافی بلورهای لازم فراورده ای، داده های کنیتکی نظیر سرعت رشد بلور G و سرعت هیته زایی B بسیار مهم می باشد. تکنیک نمودار دانسیته نیمه لگاریتمی تجمعی توسط راندولف و لارسون پیشنهاد شد. (راندولف و لارسون 1962)
با کشیدن نمودار داده های عمل توزیع اندازه گیری شده بلور (CSD) در حالتی ثابت بر روی یک کاغذ نیمه لگاریتمی داده های کنیتیکی را به دست می آورند و چنانچه از تعدادی فرضیات محدود کننده ساده (ترکیب کامل، عدم طبقه بندی در فاکتور قطع دهنده و خاتمه دهنده و نیز یکنواخت شکلی، سرعت رشد مستقل و…) پیروی نماید آسانی آنالیز ضریب اولیه این تکنیک می باشد و ضریب مهم دیگر این تکنیک این است که به ما اجازه می دهد تا ارزیابی مستقیم داده های کنیتیکی حاصل از متبلور کننده CMSMPR فاقد هر تکنیک ویژه تجربی را انجام دهیم.
در یک سیستم بسیار فشرده نظیر سیستم بسیار فشرده موجود در عمل متبلور شکر، عمل هسته زایی باعث افزایش دما می شود این افزایش دما رابطه نزدیکی با جرم بلورهای تشکیل شده دارد.
با بهره گرفتن از این اثر حرارتی، اومران و کینگ (1947) روش ارزیابی ساده پارامتری را توسعه دادند. اگرچه باید گفت این تکنیک مناسب می باشد و فقط پارامترهای هسته زایی (ضریب سرعت هسته زایی و درجه هیته زایی) امکان دارد ارزیابی شوند، بعلاوه باید گفت که این تکنیک امکان دارد فقط با یک سیستم به کار برده شود که در این سیستم گرمای عمل تبلور بسیار کافی می باشد تا باعث تغییر موثر دمای سیستم مورد نظر شود.
گارساید، گیبلارو و تاوار (1982) تکنیک ارزیابی دیگری را برای پارامترهای سرعت رشد (ضریب سرعت رشد و درجه رشد) با تمرکز بر روی معادله موازنه جرم (تکنیک فاقد عمل فوق اشباع) توسعه دادند. تکنیکشان فقط به دو مشتق اول منحی عمل غیر فوق اشباع در زمان صفر برای ارزیابی پارامترهای رشد نیاز دارد.
هالفن و کالیاگین (1976) نیز روش موازنه جرم توسعه دادند. تکنیکشان اجازه می داد که ارزیابی همزمان هردوی این پارامترها یعنی پارامترهای کنیتیک رشد و هسته زایی انجام گیرد. هریک از این دو متد فقط برای موارد ایزوترمال قابل اجرا می باشد.
جهت روغن كشی كاشت و برداشت می گردند . از مهمترین دانه های روغنی می توان از دانه كنجد، آفتابگردان، بادام، زیتون، هسته خرما، بذر چای، انگور و سویا نام برد. سالانه سطح بسیار وسیعی از زمینهای كشاورزی زیر كشت انواع این دانه ها قرار می گیرد و برخی كشورها از صادرات دانه های روغن درآمد زیادی را عاید خود می كنند . منابع دیگری نیز برای روغن های نباتی وجود دارند كه كمتر شناخته شده اند، این دانه ها اغلب محصول فرعی دیگر كارخانجات هستند . مواردی از قبیل جوانه ذرت، سبوس، برنج، دانه گوجه فرنگی، دانه مركبات و صیفی جات از این دسته می باشند، لذا بسیار ارزان بوده و به سادگی در دسترس هستند. در كشور ما دانه های روغنی شناخته شده كمتر مورد توجه كشاورزان قرار گر فته اند و به دلایل مختلف، تولید این دانه ها بسیار كمتر از میزان مورد نیاز تا حد خودكفایی می باشد. چربیها و روغنها تركیباتی نامحلول در آب از منشا حیوانی یا گیاهی هستند. چربیها و روغنهای خوراكی كه معمولاً لیپیدهای غذایی نامیده می شوند عمدتاً از تری گلیسریدها (تری اسیل گلیسرول ها ) ساخته شده اند كه شامل استرهای گلیسرول و اسیدهای چرب هستند. ویژگی های فیزیكی چربیها و روغنهای طبیعی بر حسب نوع اسیدهای چرب تشكیل دهنده تغییر می كند.
مصرف سرانه روغن در كشور ما كمتر از میانگین مصرف سرانه كشورهای توسعه یافته است و از آنجا كه روغن یكی از ضروری ترین مواد مورد نیاز بدن می باشد نیاز به افزایش مصرف سرانه احساس می گردد. قدرت خرید از مهمترین عوامل میزان مصرف می باشد كه در ایران نسبتاً كم است، عامل دیگر میزان تولید داخلی روغن می باشد كه در صورت افزایش تولید می توان مصرف سرانه را به نسبت افزایش داد.
روغن آفتابگردان مانند بسیاری دیگر از روغنهای نباتی به طور عمده از اسیدهای چرب (fattyacids) تشكیل شده كه مهمترین آنها عبارتند از:
اسید لینولئیک (74% – 48)
اسید اولئیک (40% – 14)
اسید پالمتیک (9% – 4)
اسید استئاریک (7% – 1)
این روغن عموماً در مقایسه با اكثر روغنهای نباتی یک روغن پر ارزش محسوب می شود كه دلیل آن روشن بودن رنگ، طعم ملایم، نقطه دود بالا، بالا بودن میزان اسید لینولئیک و عاری بودن از اسید لینولنیک می باشد.
به طور كلی، اسیدهای چرب غیراشباع اولئیک و لینولئیک حدود 90% كل اسیدهای چرب آن و بقیه را اسیدهای چرب اشباع پالمتیک و استئاریک تشكیل می دهند. نسبت اولئیک به لینولئیک متغیر و بستگی به درجه حرارت هوا در محل كشت و ژنتیک آن دارد، به طوریكه در هوای خنك تر حدود 75 – 60 درصد آنرا اسید لینولئیک تشكیل می دهد كه آفتابگردان تولیدی كانادا و آمریكا این خصوصیات را دارند. سه نوع روغن آفتابگردان تولید می شود كه شامل: روغن با اسید لینولئیک بالا، روغن با اسید ا
ولئیک بالا و متوسط می باشد به نحوی كه نوع اول حد اقل 69% اسید لینولئیک و نوع دوم حداقل 82% اسید اولئیک دارد. بالا بودن اسیدهای چرب غیراشباع روغن آفتابگردان از نظر تغذیه ای یک مزیت ویژه است.
روش كار و تحقیق
در فصل اول این تحقیق به معرفی دانه های روغنی آفتابگردان، سویا، بذرچای و گلرنگ كه معمولاً در بیشتر كارخانجات روغنكشی ایران مورد استفاده قرار می گیرند پرداخته و سپس به طور اجمالی در مورد سیالات فوق بحرانی، كاربردها، ویژگیها، خواص فیزیكی و همچنین مزایای آنها در مقایسه با حلالهای معمول بحث می شود.
در فصل دوم روش های معمول مدلسازی استخراج روغنهای نباتی به كمك سیالات فوق بحرانی مانند مدل هسته كوچك شونده و روش سلولهای سالم و شكسته مورد مطالعه قرارگرفته است به طوریكه در مورد هر مدل فرضیات و برخی از كارهای انجام شده توسط گروه های مختلف پژوهشگران در سالهای اخیر به همراه روابط مورد استفاده به منظور انجام مدلسازی بررسی گردیده است.
در فصل سوم، تحقیق انجام شده در مورد این كار جهت مدلسازی استخراج روغن دانه آفتابگردان به كمك دی اكسیدكربن فوق بحرانی آورده شده است، همچنین روابط مورد استفاده به منظور محاسبه پارامترهای موردنیاز در مدلسازی و معادلات موازنه جرم بر روی سیال و ذره جامد به همراه شرایط اولیه و مرزی آنها معرفی گردیده است. در پایان این فصل نیز به آزمایش انجام شده توسط روش سوكسله در استخراج روغن آفتابگردان با هگزان و داده های بدست آمده از آن پرداخته شده است.
در فصل چهارم نتایج بدست آمده از مدلسازی و آزمایش سوكسله بررسی می شود به طوریكه اثر پارامترهای میزان جریان، دما، فشار و اندازه ذره بر روی بازدهی در دقیقه 80 (جایی كه نفوذپذیری كنترل كننده است ) و در پایان زمان استخراج مورد مطالعه قرارگرفته است. همچنین رفتار غلظت روغن در ذره جامد و حلال در لایه ه ای مختلف بستر بررسی گردید ه و در پایان به مقایسه نتایج بدست آمده از مدلسازی استخراج روغن از دانه های استوانه ای و كروی پرداخته و پیشنهاداتی در مورد این كار داده شده است.