آلودگی هوا، یکی از پدیده های زندگی مدرن امروزی و ناشی از پسماندهایی است که در اثر فعالیت های شبانه روزی بشر به وجود می آید. این پسماندها ناشی از تولید مواد غذایی، صنعتی، کالاهای مختلف و انرژی است. شاید بتوان علل اصلی آلودگی هوا را در احتراق ناقص جستجو کرد که طی آن، بر اثر عدم سوخت رسانی کامل و یا نسبت نامناسب هوا و سوخت، پس از احتراق، موادی نظیر منواکسید کربن، اکسید سولفور، اکسید نیتروژن، ذرات خاکستر و یا هیدروکربورهایی که سوخته نشده وارد هوا می شود. از آنجایی که این مواد بر روی کل حیات اثر سوء می گذارند، به عنوان آلاینده های هوا از آنها یاد می شود.
هوای آلوده، پدیده ای است که از ترکیب یا اختلاط هوا و مواد یا ذرات خاصی، در مدت زمان معینی تولید می شود و در صورت تداوم، بیماری ها یا اختلالاتی برای انسان، حیوانات و گیاهان ایجاد می کند و به میزان قابل ملاحظه ای، زندگی بشر را به مخاطره می اندازد.
هوای پاک به هوایی اطلاق می شود که عاری از مواد و ذرات مضر به حال انسان، حیوانات و گیاهان در درجه اول، و سایر موجودات و تولیدات در مرحله بعد باشد.
آلاینده های موجود در هوا دو نوعند: اولیه (Primary) و ثانویه (Secondary).
آلاینده های اولیه موادی هستند که در اثر منابع آلوده کننده به هوای محیط وارد می گردند. مانند: اکسیدهای سولفور، اکسیدهای نیتروژن، سولفید هیدروژن، منواکسید کربن، سرب، ذرات آلوده یا مواد معلق (گرد و خاک، غبار، دودهای سیاه)، هیدروکربورها، ترکیبات آلی فرار (VOCs) و…
آلاینده های ثانویه به موادی اطلاق می شود که در اثر فعل و انفعال موجود در هوای اطراف زمین تشکیل می گردند، بعضی از این فعل و انفعالات را می توان در جدول 1-1 مشاهده نمود.
برای جلوگیری از آلودگی و تخریب محیط زیست نیاز به آگاهی و مشارکت عمومی است. بنابراین باید بیشتر روش هایی مورد بهره برداری قرار گیرند که در کشورهای پیشرفته مورد استفاده قرار گرفته و جنبه کاربردی آن به اثبات رسیده باشد.
در این پروژه چون به مدلسازی بیوفیلتر مورد استفاده جهت حذف متانول پرداخته شده و متانول جزء گروه ترکیبات آلی فرار (VOCs) است پس تنها به شرح مختصری درباره این گروه از آلاینده ها می پردازیم.

:
داشتن زندگی عاری از خطر آرزو و هدف همۀ مردم در همۀ اعصار بوده است. زیرا میل به ایمنی و امنیت بخش تفکیک ناپذیری از ماهیت همۀ انسانها می باشد. از طرفی دیگر بشر همواره در تلاش برای بهبود زندگی و راحتی بیشتر بوده و در این راه سعی کرده با ایجاد تغییر در طبیعت، متغیرهای آن را به خدمت خود در آورد که در این راه همواره با دست یابی به مواد، تجهیزات، دستگاه ها و به عبارتی ساده تر به خدمت گرفتن فن آوری نوین و غیره و همان اندازه نیز با خطرات بیشتر و همچنین جدیدتری مواجه گردیده است.
ایدۀ ایمنی از همان سالهای نخست زندگی بشر شکل گرفت، انسانهای اولیه دلایل خوبی برای اتخاذ احتیاطات و تدابیر دفاعی داشتند آنها به دلیل عدم اطلاع از علل واقعی از خطرات طبیعی که در مجاورت خود داشتند می ترسیدند، وجود حیوانات وحشی یک منبع دائمی خطر در اطراف آنها به شمار می رفت، منابع غذایی محدود بود و… به همین دلایل انسانهای نخستین نیز همواره سعی در افزایش توانایی های دفاعی خود داشتند. آنها یاد گرفتند که خطرات را ارزیابی کنند و در مقابل آنها واکنش دفاعی نشان دهند ، بدون شک انسان های ماقبل تاریخ توانایی طرح و اجرای برنامه های ایمنی را داشتند. که این امر نقش حیاتی در زنده ماندن آنها ایفا کرد.
با گذشت زمان طرحهای ایمنی شکل اجتماعی به خود گرفت، برای تأمین نیازهای ایمنی مردم شروع به تطابق، کشف و اختراع وسایل جدید نمودند که مجموع این تلاش ها بر توانایی آنها در ایجاد و سرعت بخشیدن به تغییرات دلخواه افزوده است.
شواهد موجود نشان می دهد که انسان خیلی زود یاد گرفت با این گونه خطرات که بدلیل عدم مراقبت و حفاظت ناکافی و نامناسب در هنگام استفاده از تجهیزات و مواد مختلف رخ می دهد برخورد کرده و برای حذف یا به حداقل رساندن پیامدهای آنها ابزارهای کنترلی را به خدمت بگیرند، او آموخت که در هنگام مواجهه با ماهیتهای تهدید کننده، تغییراتی در رفتارهای اجتماعی خود ایجاد کند این تغییرات در راستایی بود که توسعه و پیشرفت را با عملکردی سودمند مطابق ساز د که گسترش ایمنی در برنامه های مختلف نمونه ای از این تطابق هاست و نهایتاً اینکه رسیدن به اصول ایمنی امروزی نتیجۀ قرنها تلاش و تجربۀ طاقت فرساست.
فصل اول: کلیات
1-1- هدف
با روند شتاب زده ای که از نیمۀ دوم قرن بیستم در توسعه و گسترش سیستمهای حساس و پیچیده بوجود آمد این ایده قوت یافت که برای ارزیابی ایمنی سیستمها دیگر نمی توان منتظر وقوع حوادث شد تا بتوان از طریق تجزیه و تحلیل آن نقاط ضعف سیستم را شناسائی و برطرف کرد و لذا سعی گردید که روش هایی برای ارزیابی ایمنی ابداع شود که قادر باشند پتانسیل وقوع خطر را قبل از عملیات سیستم شناسائی نمایند که نتیجۀ این تلاش به شکل گرفتن علم ایمنی سیستمها منجر شد که براساس یک برنامۀ طرح ریزی شده، قانونمند و سازماندهی شده و در قالب یک فرایند “پیش گیرنده” قرار دارند.

از طرف دیگر با وجود همگامی گسترش صنایع با توسعه و تقویت علم ایمنی در کشورهای توسعه یافته، در کشور ما علیرغم تلاشهای زیادی که در راه گسترش صنایع مبذول گردیده است بُعد اساسی ایمنی بدست فراموشی سپرده شده یا حداقل به صورت سطحی بدان پرداخته شده است.
2-1- پیشینۀ تحقیق
تا قبل از سال 1940 میلادی، ایمنی به صورت کنترل خطرات آشکار در مراحل اولیۀ طراحی سیستم مطرح می شد.
یعنی طراحان متکی به روش سعی و خطا بودند. برای مثال این روش در صنعت هوانوردی به پرواز – تعمیر – پرواز معروف بود. بدین صورت که با بهره گرفتن از دانش موجود هواپیما طراحی می شد و به پرواز در می آمد تا اینکه مشکلات ظاهر می شد. سپس مسائل و
مشکلات برطرف شده و دوباره هواپیما به پرواز در می آمد. واضح است که این روش برای هواپیماهای با سرعت کم و ارزان قیمت کارساز بود، در حالی که مثلاً برای سلاحهای هسته ای و سفرهای فضایی قابل قبو ل نبود . زیرا پیامدهای حوادث مربوط به آنها بسیار شدید بود. روش سعی و خطا برای سیستمهایی که باید در لحظۀ شروع کار ایمن باشد، مناسب نبودند. از این رو بود که از آن به بعد برنامۀ ایمنی سیستم به عرصۀ ظهور درآمده و یا دقیق تر اینکه تکامل پیدا کرد. در واقع پروژه های مربوط به موشک و سیستمهای فضایی سبب رونق مهندسی ایمنی سیستم شدند.
در این سیستمها نیاز به روش جدید برای کنترل خطرات کاملاً آشکار شد. موشکهای بالستیک قاره پیما در سال 1960 میلادی اولین سیستمهایی بودند که برای آنها برنامۀ ایمنی سیستم به صورت رسمی و منظم پیدا شد . وزارت دفاع آمریکا 1966 میلادی اولین سند برنامۀ ایمنی سیستم را منتشر نمود. بدنبال آن ناسا نیز برنامۀ ایمنی سیستم را به صورت یکپارچه در عملیات فضایی بکار برد. بسیاری از موفقیتهای برنامه های فضایی مرهون پیاده سازی و اجرای برنامۀ ایمنی سیستم می باشد.
سرانجام استفاده از برنامۀ ایمنی سیستم در صنایع تجاری نیز معمول گشت. به طوری که امروزه این برنامه در نیروگاه های هسته ای، پالایشگاه ها و صنایع پتروشیمی کاربرد فراوان دارد. اولین بار در سال 1985 میلادی، انجمن مهندسین شیمی آمریکا اصول را

هنمای
روش های ارزیابی خطر را برای صنایع پتروشیمی ارائه نمودند. در این راهنما بسیاری از ابزارهای تجزیه و تحلیل ایمنی سیستم مطرح گردیده است.

ای بر روانکاری و کاربردها
1-1- روانکاری
روانکاری علم تسهیل حرکت نسبی سطوح در تماس با یکدیگر است. این علم به عنوان یکی از رشته های بسیار مهم در علم مهندسی شناخته می شود، به طوری که موفقیت بسیاری از طرح های صنعتی در گرو آگاهی از این دانش فنی خواهد بود. امروزه توسعه صنعت روانکار یک بخش مهم از توسعه صنایع ماشینی و صنایع مربوط به آن شده است. علاوه بر این، با مطرح شدن بحث های جدیدی چون بهینه سازی مصرف و حفظ منابع تجدیدناپذیر و همچنین رعایت الزامات زیست محیطی، مطالعه بر روی روانکارها جایگاه خاصی را پیدا کرده است. برای جلوگیری از فرسایش و از کارافتادگی زودرس ماشین آلات صنعتی و همچنین دسترسی به بیشترین بازده مکانیکی در حداقل زمان برنامه روانکاری مناسب جزء مهمترین شرایط مورد نیاز خواهد بود. در قرن حاضر برنامه روانکاری مناسب، یک برنامه روانکاری پایدار است که شاید با کمی تعاریف روانکاری قدیمی متفاوت باشد.
نوع روانکار، مقدار زمان و مکان مناسب، چهار عامل مهم در عمل روانکاری هستند که امروزه برای یک روانکاری موفق علاوه بر آنها باید هزینه های نگهداری، تعمیرات، عملیات (هزینه سوخت، استهلاک، و رعایت قوانین و الزامات زیست محیطی را نیز در نظر گرفت. آمار نشان می دهد تنها با یک افزایش 1 یا 2 درصدی در هزینه برای یک روانکاری بهتر می توان حدود 15% از هزینه های اضافی یک خودرو را کاهش داد. ضمن اینکه استفاده از یک روانکار مناسب فاصله زمانی تعویض روغن برای یک خودرو را زیاد می کند که این مسئله به حفظ محیط زیست و در نهایت حفظ منابع تجدید ناپذیر نیز کمک می کند و لذا این مسئله خود بیانگر اهمیت دانش فنی روانکارهاست.
به طور کلی به لایه های گاز، مایع و یا جامد که میان دو سطح قرار می گیرد و یکنواختی حرکات یک سطح بر روی دیگری را بهبود می بخشند و از ایجاد آسیب بر روی سطوح جلوگیری می کنند، روانکار گویند.
روانکارها کاربردهای بسیار مهمی در موتورهای احتراق داخلی، وسایل نقلیه، چرخنده های صنعتی، کمیرسورها، توربین ها سیستم های هیدرولیک و… دارند. 90% از روانکارهای مصرفی را روغن های روانکار تشکیل می دهند که در بین آنها روغن های خودرو بیشترین مصرف را دارند.
در حال حاضر بیش از 1700 تولید کننده روانکار در سراسر جهان وجود دارند که حدود 200 شرکت به صورت جانبی و در کنار تولیدات دیگر، تولید می کنند و حدود 1500 شرکت به طور اختصاصی به تولید روانکار پرداخته اند. بیش از 60% از روانکارهای مصرفی در سراسر دنیا توسط این شرکت تولید می شود. در جدول 1-1 نام 16 شرکت از بزرگترین روانکارها در دنیا و در جدول 1-2 نیز نام بزرگترین تولیدکنندگان روانکارهای صنعتی آمده است.

:
امروزه در پالایشگاه های نفت و گاز و مجتمع های پتروشیمی، مدل های کامپیوتری و تکنیک های ریاضی نقش مهمی را در طراحی تجهیزات جدید کارآمد و بهینه سازی آنها ایفا می کند. در این راستا در مهندسی واکنش ها بررسی واکنش های هتروژنی جامد – گاز و پدیده هایی مانند انتقال حرارت، نفوذ و واکنش شیمیایی در تجهیزات فرایندی و خطوط تولید از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. در چند دهه اخیر محققان تلاش های زیادی را در جهت مدل سازی این پدیده ها با بهره گرفتن از ابزارها و نرم افزارهای پر قدرت به منظور افزایش راندمان تجهیزات و واحدها و همچنین درک بهتر از مکانیزم های فیزیکی و شیمیایی فرایندها انجام داده اند و توسط آن توانسته اند تکنیک های جدیدی را در زمینه های شبیه سازی و بهینه سازی فرایندها به منظور کاهش هزینه های اقتصادی و بهره وری بیشتر ارائه نمایند.
در این میان طراحی و مدلسازی راکتورهای کاتالیستی بستر ثابت توجه بسیاری از محققان و مهندسان را در چند دهه گذشته به خود جلب کرده است. تحلیل کلی راکتورهای بستر ثابت از مقیاس میکروسینتیک (با بررسی دانه و ساختار حفره ای آن که پدیده های نفوذ و واکنش در آن رخ می دهد) آغاز می گردد. و به مقیاس ماکرو (با مطالعه و تحقیق بر شکل هندسی و مشخصات بستر راکتور جایی که پدیده های جابجایی و انتقال جرم و حرارت و پراکندگی رخ می دهد) ختم می گردد. مهم ترین و اساسی ترین بخش این مدلسازی که حکم قلب راکتور کاتالیستی بستر ثابت را دارد مدل سازی دانه کاتالیست و رفتار جریان سیال در داخل دانه می باشد. در پروژه حاضر به بررسی یک دانه کاتالیست متخلخل از نوع تیتانیت پروسکایت و مدلسازی آن توسط دینامیک سیال محاسباتی (CFD) در واکنش جفت اکسایشی متان (OCM) خواهیم پرداخت. نرم افزار مورد استفاده در این تحقیق جهت مدلسازی FLUENT & GAMBIT می باشد که یکی از ابزارهای CFD به شمار می آید. CFD یکی از شاخه های دینامیک سیالات می باشد که از روش ها و الگوریتم عددی برای حل و تجزیه مسائل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه نفوذ و واکنش شیمیایی براساس شبیه سازی کامپیوتری استفاده می نماید. هدف نهایی از این شبیه سازی در این پروژه ارائه یک برنامه کامپیوتری است که بتواند با وارد کردن دما، فشار و جزء مولی اجزای خوراک در آن، دماهای خروجی و همچنین جزء مولی محصولات را در طول دانه کاتالیست پیش بینی نمود.
شایان ذکر است مدل سازی دانه کاتالیست و بررسی رفتار آن در واکنش های هتروژنی جامد گاز می تواند نتایج بسیار مهم و ارزشمندی برای محققان و مهندسان را به ارمغان آورد. با مطالعات بیشتر بر روی این دسته از مدلسازی ها می توان زمینه لازم را برای طراحی یک راکتور کاتالیستی و کنترل آن (با تنظیم نسبت اجزای خوراک به عنوان مثال نسبت متان به اکسیژن (CH4/O2) در واکنش OCM یا کنترل محدوده دمای عملیاتی) در شرایط عملیاتی بهینه، دور از شرایط runaway تامین نمود. همچنین مسئله افزایش مقیاس در طراحی راکتور ها امری بسیار ضروری و مهم می باشد که با بررسی مدل در رفتار هیدرودینامیکی و خواص فیزیکی سیستم، امکان استفاده از راکتورهای صنعتی با اندازه های مختلف را فراهم می آورد. با در نظر گرفتن و جمع بندی تمامی عوامل فوق امکان دستیابی آسان تر به طراحی یک راکتور واحد صنعتی در شرایط عملیاتی بهینه را خواهیم داشت.
همان گونه که اشاره شد در این پروژه به کاربرد CFD در مدل سازی دانه کاتالیست متخلخل تیتانیت پروسکایت در واکنش جفت اکسایشی متان (OCM) خواهیم پرداخت. واکنش جفت شدن اکسایشی متان که یکی از روش های تبدیل مستقیم متان به هیدروکربن های باارزش تر مانند اتان و اتیلن می باشد در چند سال گذشته تحقیقات زیادی بر روی آن شده است. مسئله اساسی در این واکنش رسیدن به گزینش پذیری بالا برای اتیلن و میزان تبدیل مناسب متان بدون واکنش احتراق کامل متان می باشد. توصیف بیشتر این فرایند در بخش های بعدی آمده است.
ساختار و فصل بندی این پروژه به این صورت است که در فصل اول به اهمیت و کاربردهای CFD در مهندسی شیمی و ی به تحقیقات پیشین در واکنش های هتروژنی جامد – گاز می پردازیم. در فصل دوم اصول و تئوری واکنش های هتروژنی و رفتار دانه کاتالیست متخلخل و برهم کنش های آن در واکنش فاز گازی را مورد مطالعه قرار می دهیم. سپس به معرفی و مکانیزم های فرایند جفت اکسایشی متان و اطلاعات سینتیکی و ترمودینامیکی مربوطه خواهیم پرداخت.
در ادامه فصل چهارم شامل بخش تجربی می باشد که جهت ارزیابی اعتبار مدل یکسری آزماشات مشابه با شرایط مدل سازی طراحی و اجرا شده است و فصل بعدی شامل مدل سازی دانه کاتالیست و نتایج بحث حاصل از آن می باشد.

تقطیر روشی است برای جداسازی اجزای یک محلول، بر اساس قابلیت توزیع مواد بین فازهای گاز و مایع، وقتی كه تمام اجزا در هر دو فاز موجود باشند. در اینجا بر خلاف عمل جذب یا دفع گازی، كه در آنها ماده جدیدی به منظور ایجاد فاز دوم به مخلوط اضافه می شود، فاز جدید به وسیله تبخیر یا میعان از محلول اولیه تشكیل می شود.
برای روشن شدن تفاوت بین تقطیر و سایر عملیات، به ذكر چند مثال می پردازم. در جداسازی آب و نمك معمولی، چون نمك در شرایط موجود كاملاً غیر فرار است باقی می ماند و آب تبخیر میشود. این عملیات تبخیر نام دارد. و اما تقطیر جداسازی محلول هایی است كه تمام اجزا آن فراریت نسبی داشته باشند. از این دسته، جداسازی اجزای محلول مایعی از آمونیاك و آب را در نظر بگیرید. همانگونه كه می دانیم وقتی محلول آمونیاك – آب را در مجاورت هوا (كه اساساً در مایع نامحلول است) قرار دهیم، آمونیاك دفع میشود اما به دلیل مخلوط بودن با بخار آب و هوا خالص نیست. به عبارت دیگر، با حرارت دادن، میتوانیم محلول را به طور جزئی تبخیر كنیم به طوریكه فاز گازی شامل آب و آمونیاك تشكیل گردد و از آنجایی كه فاز گاز، نسبت به مایع باقی مانده ، از نظر آمونیاك غنی تر است، مقداری جداسازی صورت می گیرد. با دستكاری
مناسب فازها یا تكرار تبخیر و میعان، میتوان به طور معمول هر دو جزء مخلوط را به صورت خالص كاملاً جدا كرد.
مزایای چنین روش جداسازی ای روشن است. در عمل تقطیر، فاز جدید از جهت ارزش گرمایی با محلول اولیه تفاوت دارد؛ ولی دادن یا گرفتن حرارت به راحتی صورت میگیرد كه البته هزینه انجام این عمل باید همیشه در نظر گرفته شود. به عبارت دیگر، در عملیات جذب یا دفع ، كه با افزودن یک ماده خارجی همراه است، محلول جدیدی به دست می آید كه به نوبه خود باید بوسیله یكی از عملیات انتقال جرم جداسازی شود مگر اینكه محلول جدید مستقیماً قابل استفاده باشد.
تقطیر نیز، به عنوان یک فرایند جداسازی، به نوبه خود محدودیت های ویژه ای دارد. در جذب یا عملیات، كه در آن یک ماده خارجی برای ایجاد فاز جدید جهت توزیع اجزاء استفاده میشود، میتوان حلالی را انتخاب كرد كه بیشترین جداسازی را فراهم كند؛ مثلاً، چون آب برای جذب هیدروكربورهای گازی از یک مخلوط گازی مناسب نیست، بجای آن می توان از یک روغن هیدروكربوری كه حلالیت بهتری داشته باشد استفاده كرد. ولی در تقطیر چنین آزادی انتخابی وجود ندارد. با به كار بردن حرارت در تقطیر، به تنهایی، گاز ایجاد شده فقط شامل اجزاء موجود در مایع خواهد بود؛ بنابراین به علت شباهت زیاد گاز و مایع از نظر شیمیایی، اختلاف غلظت ناشی از توزیع اجزاء بین دو فاز معمولاً زیاد نیست. در واقع گاهی اختلاف غلظت آنقدر كم است كه فرایند، عملاً ممكن نیست و حتی ممكن است اختلاف غلظتی وجود نداشته باشد.
با این وجود ، در جداسازی مستقیم كه با تقطیر نیز انجام می شود، فرایند دیگری برای جداسازی لازم نیست و به همین خاطر این عمل یكی از مهمترین عملیات های انتقال جرم است. با توجه به تفصیل فوق به بررسی یكی از گزینه های حساس جداسازی كه مربوط به جداسازی اجزایی با نقطه جوش های نزدیک پرداختیم و سعی كردیم از نقطه نظر های گوناگونی به بررسی این واحد بپردازیم.