:
در منابع و تحقیقات موجود در کشور سابقه ای در زمینه بهره گیری از مدل Rate based در شبیه سازی فرایند تقطیر واکنشی موجود نیست و مطالعات در خارج از کشور به ویژه امریکا و هلند در حال انجام است. از اینرو در این تحقیق به بررسی و تجزیه و تحلیل مواردی مانند معایب استفاده از مدل تعادلی و در مقابل مزایا و معایب روش هایی مبتنی بر مدل غیرتعادلی، معادلات، خواص فیزیکی و… مورد نیاز جهت استفاده از مدل غیرتعادلی خواهیم پرداخت.
شبیه سازی فرآند تقطیر واکنشی تولید متیل استات در برج های Pack و برج های سینی دار و مقایسه نتایج به دست آمده با نتایج مدل تعادلی، تاثیر کاتالیست های مختلف، نرخ رفلاکس، فرمول فیک، فرمول ماکسول – استفان و… به عنوان پارامتر متغیر روی تولید متیل استات از نظر کمی و کیفی، بررسی تولید متیل استات در حالت های S.S و دنیامیکی، ذکر چند مثال و… خواهیم پرداخت.
هدف:
دستیابی به نتایج شبیه سازی فرایند تقطیر واکنشی تولید متیل استات و مقایسه با نتایج به دست آمده از تعادلی و نتایج تجربی جهت بررسی دقت مفروضات فوق، بررسی امکان انجام شبیه سازی فوق با نرم افزارهای موجود.
ضرورت:
استفاده از مدل Rate based باعث افزایش درجه خلوص محصول و استفاده از برج تقطیر واکنشی باعث کاهش تجهیزات و هزینه های اولیه و عملیاتی خواهد شد.
1- مدل تعادلی (EQ)
1-1- روش سنتی
در دهه گذشته فرایندهای جداسازی براساس مرحله تعادلی به انجام می رسد که باعث می گردید تا: 1- جریان خروجی بخار و مایع هر مرحله بدون توجه به نرخ واقعی انتقال جرم در تعادل با یکدیگر در نظر گرفته شوند در حالی که، واقعیت نشان می دهد به سختی ممکن است یک مرحله به تعادل برسد.
2- راندمان ترکیبات مختلف روی سینی و راندمان فاز بخار و مایع یکسان در نظر گرفته شود در حالی که راندمان به دست آمده ناشی از تقریبا تمامی پدیده ها اعم از هیدرونیامیک، انتقال جرم، اثر متقابل در فصل مشترک و… در دستگاه است که از آنها اغماض می گردد.
3- از تاثیر هیدرولیک سینی بر انتقال جرم صرف نظر گردد.

4- در صورتی که با سیستم های چند جزئی سروکار داشته باشیم: اثرات متقابل نفوذ که می تواند باعث پدیده های غیرمعمول مانند نفوذ معکوس گردد (انتقال جرم جزء در مسیر معکوس)، راندمان یک مرحله برای اجزاء متفاوت بسته به نفوذ اجزاء ممکن است بسیار متفاوت باشد.

بر طبق استانداردهای بین المللی و نیز استاندارد شركت ملی نفت ایران ، میزان مج از ناخالصی ها در گازهای تصفیه شده معین گردیده و طبق استاندارد ASTM درگازهای تصفیه شده حداكثر گوگرد مجاز mg/Nm³ 22/9 و حدا كثر مركاپتان مجاز 11/5m g/Nm³ است. در بیشتر منابع گازی مقادیر این ناخالصی ها بیشتر بوده و ضرورت دارد توسط فرایند های مناسب به مقدار م جاز خود كاهش یابد.
گوگرد می تواند به صورت گوگرد عنصری و یا عمدتاً به صورت هیدروژن سولفید و سولفید كربنیل و دی سولفید كربن و مركاپتان (RSH). تیوفن و یاسایر تركیبات گوگرد باشد.
این ناخالصی های گوگردی نه تنها باعث ایجاد بوی بد در گاز می شوند بلكه در هنگام احتراق اكسید شده و ایجاد آلودگی زیست محیطی می نماید. با وجود آنكه مساحت و جمعیت كشور ایران در حدود یک صدم كل مساحت و جمعیت جهان است، ذخیره سازی گازی گسترده در اعماق آن بین 14تا 20درصد از كل ذخیره موجود گاز در كره زمین را تشكیل می دهد. ایران با دارا بو دن بیش از 21 تریلیون متر مكعب ذخایر گاز طبیعی شناخته شده یكی از غنی ترین كشورهای جهان از نظر ذخایر گاز طبیعی است. بابرخورداری از چنین ذخیره ای،
گاز به عنوان سوخت و انرژی می تواند در صدر منابع مورد استفاده قرار گیرد تا پاسخگوی رشد روز افزون مصرف انرژی و هم چنین به عنوان منبعی برای درآمدهای حاصل از صادرات تلقی گردد. افزایش میزان مصرف گاز بالاتر از 8% در سال در بعضی نواحی پیش بینی می گردد. گاز آن طور كه در طبیعت موجود است كمتر مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا گازی كه از منابع زیر زمینی حاصل می شود دارای مقادیر متفاوتی از ناخالصی ها است كه عمدتاً شامل هیدروژن سولفید و دی اكسید كربن و مركاپتان ها می باشد. وجود این ناخالصی ها در گاز باعث اشكالات فراوانی می گردد، به عنوان مثال هیدروژن سولفید حتی نسبت به لوله هایی از جنس فولاد ضد زنگ نیز خورنده بوده وهنگام سوختن تولید گاز سمی و خورنده دی اكسید گوگرد می نماید .ازطرفی ناخالصی ها به عنوان مسموم كننده كاتالیست ها محسوب می شوند.

:
فرایند خشک کردن در کاربردهای مختلف گرمایی به صورت گسترده ای به کار می رود از، خشک کردن مواد غذایی تا خشک کردن چوب و مواد سلولزی. به کارگیری مقادیر زیادی انرژی در صنعت خشک کردن این صنعت را به یکی از مصرف کننده ترین و گرانترین صنایع از لحاظ انرژی و در عین حال دارای اهمیت بالا تبدیل کرده است. هدف یک دستگاه خشک کن رساندن گرما به محصول بیش از آنچه که می توان تحت شرایط محیطی رساند می باشد، تا بدین ترتیب بتوان به میزان کافی فشار بخار رطوبت موجود در محصول را افزایش دارد تا انتقال رطوبت از درون محصول شدت یافته و همچنین رطوبت نسبی هوای خشک کن را به شکل قابل توجهی کاهش داد تا قابلیت حمل رطوبت آن بیشتر شود تا در نهایت به تعادلی با محتوای رطوبت اندک محصول دست یابیم.
فصل اول: کلیات
1-1) هدف
در چند دهه گذشته، تحلیل ترمودینامیکی و خصوصا تحلیل اگزرژی، به ابزاری ضروری جهت طراحی، تحلیل و بهینه سازی سیستم های حرارتی تبدیل شده است. از دیدگاه ترمودینامیکی، اگزرژی به صورت حداکثر مقدار کاری تعریف می شود که توسط جریانی از ماده گرما یا کار که در حال رسیدن به تعادل با یک محیط مرجع است، تولید می شود. اگزرژی شامل قانون بقا نمی شود، یعنی اینکه می تواند در برگشت ناپذیری های موجود در هر فرایند مصرف شده یا از بین برود.
اگزرژی مقیاسی از پتانسیل یک جریان در ایجاد تغییر به علت پایدار نبودن در مقایسه با محیط مرجع است. به همین دلیل، حالت محیط مرجع یا حالت مرجع بایستی کاملا مشخص باشد. این کار غالبا با تعیین دما، فشار و ترکیب شیمیایی محیط مرجع انجام می شود.
روش استفاده از اگزرژی می تواند در دستیابی به هدف استفاده بهینه تر از منابع اگزرژی نیز مفید باشد چرا که موقعیت ها، انواع و مقادیر دقیق اتلاف و هدررفت ها را مشخص می کند. بنابراین تحلیل اگزرژی مشخص می سازد که تا چه حد امکان دارد که با کاهش منابع عدم بازدهی؛ سیستم هایی با بازدهی بیشتر حرارتی طراحی کرد.
2-1) پیشینه تحقیق:
افزایش بازدهی غالبا منجر به حفظ انرژی با روش های قابل قبول زیست محیطی توسط کاهش مستقیم برگشت ناپذیری هایی که می تواند وجود داشته باشند، می شود. این امر باعث شده است که اگزرژی تبدیل به قوی ترین ابزار جهت ایجاد شرایط بهینه خشک کردن شود. تحلیل اگزرژی خصوصا در کاربردهای خشک کن های صنعتی (مقیاس بزرگ) در دمای بسیار بالا مهم می باشد.
در دهه گذشته، تحقیقات بسیاری جهت بررسی مشخصه های ترمودینامیکی فرایندها سیستم های حرارتی از سردسازی تا خشک کردن انجام شده است. ی بر این مراجع نشان می دهد که روش تحلیل اگزرژی بر محدودیت های قانون اول ترمودینامیک فایق آمده است زیرا براساس ترکیبی از قوانین اول و دوم ترمودینامیک انجام می شود. بازدهی کمتر اگزرژی منجر به اثرات نامطلوب زیست محیطی می شود.

نظریه استفاده از گاز طبیعی برای تهیه محصولات پتروشیمی از دهه 70 میلادی مطرح شد. در آن زمان قیمت نفت به بشکه ای حدود 40 دلار رسید و پیش بینی می شد که این مبلغ به 100 دلار در هر بشکه نیز افزایش یابد. به همین دلیل محققان درصدد یافتن منبعی ارزان قیمت و در دسترس برای تهیه محصولات پتروشیمی برآمدند. در این میانگاز طبیعی به چند دلیل مورد توجه قرار گرفت:
1- مقادیر متنابهی گاز در جهان وجود دارد.
2- ارزان قیمت است.
3- گاز طبیعی سوخت تمیزی است و به علت درصد کم مواد گوگردی، نیتروژن و فلزات سنگین موجود در آن پس از احتراق، باعث آلودگی محیط زیست نمی شود.
از طرف دیگر چون ذخایر نفت خام با بهره برداری زیاد به سرعت در حال کاهش می باشد و با کشف منابع ذخایر گازی و قیمت ارزان این منبع طبیعی می توان راحت تر در اختیار داشت. بهترین و در دسترس ترین منبع هم می باشد. چون بیشتر ذخایر گازی دور از شهرهای صنعتی قرار دارند برای انتقال گاز به مکان های مصرف خیلی مشکل و پرهزینه می شود. بنابراین تبدیل گاز طبیعی به محصولات مفید و انتقال محصول برای مصرف ضروری می باشد. بنابراین دلایل تکنولوژی ها برای تولید مقدار زیادی از محصولات گاز طبیعی به وسیله گاز سنتز را به خوبی به اثبات رسانده اند.
تولید گاز سنتز به هزینه زیادی نیاز دارد و اثر انرژی آن هم کم می باشد. با توجه به ایمکه قیمت نفت در حدود 80 دلار به ازای هر بشکه نگه داشته شده است برای افزایش نفت خام بیشترین تمرکز روی تبدیل مستقیم متان به محصولات شیمیایی نفتی به خصوص متانول قرار گرفته است. اکسیداسیون جزئی مستقیم متان به متانول یکی از فرایندهای جذاب صنعتی بالقوه برای استفاده از ذخایر فراوان گاز طبیعی است. متان به عنوان یک ماده اولیه در صنعت شیمیایی ابتدا طی فرایند ریفرمینگ با بخار آب به گاز سنتز تبدیل می شود که به شدت فرایندی گرماگیر و دارای ارزش اقتصادی بالا است و سپس به کمک تبدیل کاتالیستی در فشار بالا به متانول تبدیل می شود. بنابراین بررسی فرایند اکسیداسیون مستقیم متان به متانول حائز اهمیت است زیرا اولا این فرایند برای استفاده موثر از منابع گاز طبیعی به کار می رود ثانیا برای کاهش مصرف انرژی هم موثر می باشد. تبدیل مستقیم متان به متانول از نظر راندمان انرژی، به دلیل گرمازا بودن، بر فرایند صنعتی تولید متانول الویت دارد.
از آنجا که قیمت انتقال متان – بخش اعظم گاز طبیعی – به صورت گاز بیش از 5 برابر انتقال آن به صورت محصولات مایع است؛ راه حل منطقی، تبدیل گاز به محصولات مایع و سپس عرضه آن می باشد از طرفی انتقال گاز به صورت گاز مایع (LNG) بسیار پرهزینه است و ضریب ایمنی پایینی دارد. همین امر باعث شده تا محققان بسیاری بر روی پروژه های مختلف تبدیل گاز طبیعی به مایعات هیدروکربوری با ارزش افزوده بالا فعالیت کننده تاکنون فرایندهایی نیز تدوین و ثبت شده است. اما علیرغم پیش بینی دهه 70 میلادی، قیمت نفت به شدت کاهش یافت و این مسئله باعث شد که این فرایندها از نظر اقتصادی با فرایندهای متعارف موجود قابل رقابت نباشند. با این وجو، به علت محدودیت ذخایر نفت در جهان، تحقیقات بر روی پروژه های تبدیل گاز کمامان ادامه دارد.
این تحقیقات به دو گروه تبدیل مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می شود. در مورد اول متان مستقیما به محصول مایع تبدیل می شود ولی در تبدیل غیرمستقیم، متان ابتدا به یک محصول میانی و سپس به محصول مورد نظر تبدیل می گردد.

از آنجا که در تبدیل غیرمستقیم، امکان انجام واکنش های چندگانه محتمل تر می باشد، از نظر اقتصادی تبدیل مستقیم جاذبه بیشتری دارد. اما به علت پایداری مولکول متان، این تبدیلات در دما و فشار عملیاتی بالا و به کمک کاتالیست هایی با گزینش پذیری قابل قبول انجام می شود. با این حال به علت ناپایداری محصولات تولیدی نسبت به متان، کماکان بهره تولید محصول مطلوب در این فرایندها نسبتا پایین است.
در حال حاضر قسمت عمده گاز طبیعی، در محل بهره برداری سوزانده می شود و بخشی از آن به روش تبدیل به بخار آب به گاز سنتز تبدیل و سپس به محصولاتی نظیر متانول یا فرمالدئید تبدیل می شود. در کشورهایی مانند ایران نیز به منظور افزایش ضریب بازیافت نفت از چاه، مقداری از گازهای تولیدی به مخازن نفت تزریق می گردد. اما با توجه به فن آوری های جدید GTL و امکان تبدیل گاز طبیعی به محصولاتی نظیر متانول، مصارف باارزش تری برای آن پیش بینی می شود.
متانول با مصرف سالانه بیش از 26 میلیون تن در جهان جایگاه ویژه ای در بین مواد شیمیای دارد.

:
امروزه استفاده مجدد از آب های آلوده شده در فرایندهای گوناگون اهمیت زیادی پیدا كرده است. به همین دلیل انواع مختلف فرایندهای تصفیه پساب مطرح شده است و به كار برده می شود.
در بین این فرایندها تصفیه بیولوژیكی لجن فعال می توان گفت كه مناسب ترین فرایند تصفیه فاضلاب در تصفیه خانه های شهری می باشد زیرا هم عملكرد خوبی دارد و هم دارای كمترین آلودگی زیست محیطی می باشد و در میان انواع راكتورهایی كه برای این فرایند به كار می روند راكتور اختلاط كامل لجن فعال (Complete Mix Activated Sludge) با نام اختصاری CMAS به دلیل مزایای فراوان آن و توانایی آن در گذر خوب برابر شوك های ورودی محبوب ترین نوع راكتور می باشد.
برای مدل سازی فرایند لجن فعال مدلی توسط IWA ارائه شده است كه مدل ASM1 می باشد و دارای دقتی كافی است این مدل اساسا پایه ای برای مدل سازی راكتور های گوناگون می باشد. در این پایان نامه از مدل ASM1 استفاده شده است كه معادلات موازنه جرم بدست آمده از نوع ODE غیر خطی می باشد واز روش رانگ – كاتای درجه پنجم حل شده است.
فصل نخست: کلیات
(1-1) تعریف و اهمیت تصفیه فاضلاب
به طور كلی هر اجتماعی دور ریزهایی به صورت مایع، جامد و یا گازهای قابل انتشار در جو در پس فعالیت های صنعتی، خانگی و یا كشاورزی خود تولید می كند.
به طور ویژه در بخش مایعات دور ریز – فاضلاب و یا پساب – آب تامین كننده آن بخش بوده كه بعد از استفاده در بخش های گوناگون و آمیخته شدن با مواد اضافی به صورت دور ریز در آمده است.
از دیدگاه منابع تولید، فاضلاب به عنوان آمیخته ای از آب كه حمل كننده دور ریز های دفع شده از مناطق مسكونی، موسسات و بنگاه های تجاری و صنعتی كه می تواند همراه با آب های زیر زمینی، سطحی یا بارش های جوی باشد.
هنگامی كه پساب تصفیه نشده در نقطه ای جمع شود به سبب در هم ریختگی تركیبات آلی در آن منجر به آزاد شدن گاز های بسیار بد بو خواهد شد و محیط مناسبی برای رشد بسیاری از میكرو ارگانیسم های پاتوژنیک می شود كه از روده انسان و یا حیوانات و نواحی مختلف به درون آن راه یافته می شود.
پساب ها همچنین شامل نیترات ها هستند كه باعث تحریک رشد گیاهان آبزی می شوند و ممكن است شامل تركیبات سمی و یا تركیباتی كه به طور بالقوه ممكن است بیماری زا و یا سرطان زا باشد هستند.
به دلایل ذكر شده حذف سریع و آسان فاضلاب از منابع تولید توسط تصفیه آن و استفاده مجدد و یا رها سازی آن در طبیعت ضروری می باشد.
– مهندسی فاضلاب
مهندسی فاضلاب شاخه ای از مهندسی محیط زیست است كه مفاهیم علوم پایه و مهندسی را برای راه گشایی موارد درگیر با فاضلاب و استفاده مجدد از آن را به كار می گیرد.
هدف نهایی مهندسی فاضلاب محافظت از سلامت عمومی با شیوه ای متناسب با دیدگاه زیست محیطی، اقتصادی، اجتماعی و نگرانی های سیاسی است.
برای این کار لازم است دانش:
1- اجزا موجود در پساب.
2- اثرات این اجزا هنگامی كه پساب در طبیعت رها می شود.

3- دگرگونی و سرنوشت طولانی مدت این اجزا در فرایندهای تصفیه.
4- روش های تصفیه ای كه برای حذف یا اصلاح اجزاء موجود در فاضلاب استفاده می شود.
5- روش هایی برای استفاده مفید یا مصرف جامدات تولید شده اضافی توسط سیستم های تصفیه
را داشته باشیم.
(2-1) تقسیم بندی فاضلاب
از دیدگاهی می توان فاضلاب های خام را به دو گروه بزرگ: 1- فاضلاب های شهری 2- فاضلاب های صنعتی دسته بندی کرد.
– فاضلاب های شهری
فاضلاب های شهری كه هدف این پژوهش هم می باشد حاصل از مصرف آب در منازل، ادارات، مراكز تجاری، آب های سطحی حاصل از بارش های جوی و شستشوی معابر و كلیه خدمات شهری می باشد، در این نوع فاضلاب كمتر از مواد سمی خطرناك، فلزات سنگین و یا رادیواكتیو یافت می شود و عمدتا دارای مواد آلی و نیتروژن دار و فسفر دار حاصل از مواد دفعی انسانی و پاك كننده ها است.
– فاضلاب های صنعتی
در فاضلاب های صنعتی كه حاصل كارهای فرایندی كارخانه جات و مراكز تولیدی می باشد می توان گونه های زیادی از مواد شیمیایی، نفتی و غیره كه برای انسان و محیط پیرامونی او خطر آفرین است را مشاهده كرد، كه حذف آنها گاهی بسیار مشكل و دردسر ساز می باشد و رهاسازی آنها هم در طبیعت حتی می تواند گاهی باعث نابودی كامل آن منطقه شود كه پاك سازی آن بسیار هزینه بر و شاید غیر ممكن باشد از این قبیل مواد می توان به فلزات سنگین، تركیبات نفتی و یا مواد رادیو اكتیو اشاره كرد. بهترین راه حذف این نوع مواد تصفیه آنها در خود كارخانه با روش های تخصصی تر برای آن ماده خاص می باشد تا جمع آوری در یک مركز تصفیه و عملیات حذف روی آنها.