پژوهش های کاربردی مهندسی شیمی - پلیمر

چکیده چکیده
موضوع تحقیق: یکی از مشکلات معمول در خطوط انتقال گاز طبیعی گرفتگی و ایجاد افت فشار در لوله‌های انتقال گاز به علت تشکیل هیدرات‌های گازی است. هیدرات‌های گازی، ترکیبات بلوری پایداری هستند که از تماس مولکول‌های آب با برخی از مولکول‌های گازی با اندازه مناسب و تحت شرایط ترمودینامیکی مناسب (دمای پایین و فشار بالا) تشکیل می‌شوند. این ترکیبات از دو دیدگاه ترمودینامیکی و سینتیکی مطالعه می‌شوند. با وجود مطالعات فراوانی که در بخش ترمودینامیکی هیدرات صورت گرفته، سینتیک هیدرات‌ها نیازمند بررسی‌های بیشتری است.
روش تحقیق: بدین منظور برای تعیین شرایط تعادلی هیدرات گاز طبیعی، 5 آزمایش مختلف با نمونه گاز طبیعی پالایشگاه گاز و گاز‌مایع 1300 در محدوده دمایی 285/5، 281/5، 276/21 ، 275/59، 273/92 کلوین(K) و  فشار 41/1 ،28/2، 18/84 ، 13/4 ، 11/5بار(bar) در راکتوری به روش حجم ثابت انجام شد.
نتایج اصلی: بر اساس داده‌های آزمایشگاهی، ضریب انتقال جرم به‌ترتیب برابر 0/243، 0/159، 0/153، 0/094، 0/131 متر بر ثانیه و همچنین ضریب نفوذ مولکولی برابر 
 10^-9×(4/516) , 10^-9×(4/785 ), 10^-9×( 1/175 ),10^-9×(  847/ 2 ), 10^-9× (1/147), مترمربع  بر ثانیه به‌دست آمد.  این نتایج نشان می‌دهد که با افزایش دمای راکتور)فشار ثابت)، ضریب انتقال جرم کاهش و ضریب نفوذ مولکولی افزایش یافته است، همچنین با  افزایش فشار(دما ثابت)، ضریب انتقال جرم افزایش و ضریب نفوذ مولکولی کاهش یافته است که این مقادیر با معادلات تجربی همخوانی دارد. تحلیل آماری نتایج نشان داد که عامل فشار راکتور اثر بیشتری نسبت به دما بر روی ضریب انتقال جرم دارد. همچنین با بررسی آماری مشاهده شد که دما عامل مؤثرتری بر ضریب نفوذ مولکولی (DAB) گاز طبیعی در آب است.

چکیده موضوع تحقیق: فلر به‌عنوان بخشی جدایی‌ناپذیر از واحدهای پتروشیمی علاوه بر تضمین ایمنی و سلامت کارکنان، یکی از منابع اصلی انتشار آلاینده‌ها و ترکیبات آلی فرار است. گازهای ارسالی به فلر غالباً دارای ترکیبات ارزشمندی هستند که بازیابی آن‌ها می‌تواند به افزایش تولید، ارتقای درآمد و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای منجر شود. بررسی امکان بازیابی این گازها و استفاده مجدد آن‌ها در فرایندهای پتروشیمی از اهمیت بالایی برخوردار است.
روش تحقیق: در این مطالعه، با هدف بازیابی گازهای فلر در مجتمع پتروشیمی زاگرس، شبیه‌سازی فرایند و تحلیل انرژی و اکسرژی انجام شده است. فرایند پیشنهادی شامل یک تبدیل‌گر بخار مخلوط متان در دمای 1000 کلوین و فشار 101.3 کیلوپاسکال، سامانه تبادلگر گرمایی، جداساز میعانات آب و فشرده‌ساز گاز بازیابی‌شده تا فشار 7600 کیلوپاسکال متناسب با شرایط راکتور سنتز متانول است. همچنین، آزمون حساسیت برای بررسی اثر تغییر نسبت بخار به کربن و دمای خوراک تبدیل‌گر بر عملکرد کلی انرژی و اکسرژی سامانه نیز صورت گرفته است.
 نتایج اصلی: نتایج نشان داد که نسبت بهینه بخار به کربن در تبدیل‌گر 13 بود که در آن تمامی متان به گاز سنتز تبدیل می‌شد. افزایش دمای خوراک موجب کاهش مصرف انرژی تبدیل‌گر، بهبود بازده انرژی و کاهش تخریب اکسرژی شد. بر اساس تحلیل اکسرژی، تبدیل‌گر با سهم 49.43 درصد بیشترین و جداکننده آب با سهم صفر درصد کمترین تخریب را داشتند. بازده کلی انرژی فرایند 56.43 درصد و بهره‌برداری از انرژی ورودی 17 گیگاژول محاسبه شد. شدت تلفات انرژی و تخریب اکسرژی برای هر تن گاز بازیابی‌شده به‌ترتیب 13.13 و 2.62 گیگاژول بود. شبیه‌سازی واحد سنتز متانول نیز نشان داد تزریق گاز سنتز بازیابی‌شده موجب افزایش 9.16 درصدی تولید متانول، معادل 462/39 تن در روز شد. در نهایت، استفاده از سامانه بازیابی گاز فلر باعث حذف کامل انتشار دی‌اکسیدکربن ناشی از فلرینگ و کاهش ردپای دی‌اکسید کربن به صفر شد.

 

چکیده کاهش منابع انرژی فسیلی و انتشار گازهای گلخانه‌ای از مهم‌ترین عوامل توجه به انرژی‌های تجدیدپذیر است. ذخیره‌سازی هیدروژن به‌عنوان حامل انرژی، یکی از روش‌های امیدبخش برای بهره‌برداری پایدار از این منابع محسوب می‌شود. در فرایند ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن، بخشی از گاز به‌دلیل عدم تأمین فشار موردنیاز تولید نمی‌شود و به‌عنوان گاز پایه باقی می‌ماند. به‌منظور کاهش اتلاف هیدروژن، پیشنهاد می‌شود از گازهای ارزان‌تر مانند متان، نیتروژن یا دی‌اکسیدکربن به‌عنوان گاز پایه جایگزین استفاده شود. این مطالعه به بررسی جامع انواع گازهای پایه و عوامل مؤثر بر ذخیره‌سازی هیدروژن در حضور گاز پایه می‌پردازد، تا راهکاری برای بهینه‌سازی این فرایند ارائه شود. در این پژوهش ابتدا بیش از 300 مقاله علمی جمع‌آوری و بررسی شد. از این میان، 80 مقاله به‌عنوان مقالات اصلی انتخاب شدند که مرتبط با ذخیره‌سازی زیرزمینی گاز هیدروژن و دیگر گازها در حضور گاز پایه بودند و 82 مقاله دیگر نیز به‌عنوان منابع تکمیل‌کننده مورد ارزیابی قرار گرفتند. مقالات اصلی در سه دسته شامل تأثیر خواص گاز پایه، تأثیر خواص مخزن و تأثیر عوامل عملیاتی طبقه‌بندی شدند. سپس محتوای این مقالات پس از ارزیابی دقیق، به‌صورت خلاصه و منسجم ارائه شد تا مبنایی جامع برای تحلیل فرایند ذخیره‌سازی گاز هیدروژن در حضور گاز پایه فراهم شود. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که استفاده از گازهای متان، نیتروژن و دی‌اکسیدکربن به‌عنوان گاز پایه می‌تواند تا حد بسیار زیادی با کاهش هیدروژن به‌دام‌افتاده درون مخزن، به مباحث اقتصادی پروژه‌های ذخیره‌سازی زیرزمینی گاز هیدروژن کمک کنند. چگالی و گرانروی گاز پایه نقش مهمی در ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن دارند. گاز نیتروژن به‌دلیل خواص فیزیکی مطلوب، گزینه‌ای برتر برای تزریق است، زیرا خطر وقوع پدیده‌هایی مانند جدایش ثقلی و انگشتی‌شدن را کاهش می‌دهد. در مقابل، گاز دی‌اکسیدکربن به‌دلیل انحلال در آب سازند و تراکم‌پذیری بالا، نیازمند تزریق حجم بیشتری برای رسیدن به فشار مطلوب مخزن است. علاوه بر این، کاهش فشار و افزایش دما، تخلخل و تراوایی منجر به کاهش خلوص هیدروژن می‌شود. همچنین، شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که تزریق گاز پایه مناسب و افزایش ضریب تخلیه‌ی مخزن پیش از شروع ذخیره‌سازی گاز هیدروژن می‌تواند به افزایش خلوص و بازیافت هیدروژن کمک کند.کاهش منابع انرژی فسیلی و انتشار گازهای گلخانه‌ای از مهم‌ترین عوامل توجه به انرژی‌های تجدیدپذیر است. ذخیره‌سازی هیدروژن به‌عنوان حامل انرژی، یکی از روش‌های امیدبخش برای بهره‌برداری پایدار از این منابع محسوب می‌شود. در فرایند ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن، بخشی از گاز به‌دلیل عدم تأمین فشار موردنیاز تولید نمی‌شود و به‌عنوان گاز پایه باقی می‌ماند. به‌منظور کاهش اتلاف هیدروژن، پیشنهاد می‌شود از گازهای ارزان‌تر مانند متان، نیتروژن یا دی‌اکسیدکربن به‌عنوان گاز پایه جایگزین استفاده شود. این مطالعه به بررسی جامع انواع گازهای پایه و عوامل مؤثر بر ذخیره‌سازی هیدروژن در حضور گاز پایه می‌پردازد، تا راهکاری برای بهینه‌سازی این فرایند ارائه شود. در این پژوهش ابتدا بیش از 300 مقاله علمی جمع‌آوری و بررسی شد. از این میان، 80 مقاله به‌عنوان مقالات اصلی انتخاب شدند که مرتبط با ذخیره‌سازی زیرزمینی گاز هیدروژن و دیگر گازها در حضور گاز پایه بودند و 82 مقاله دیگر نیز به‌عنوان منابع تکمیل‌کننده مورد ارزیابی قرار گرفتند. مقالات اصلی در سه دسته شامل تأثیر خواص گاز پایه، تأثیر خواص مخزن و تأثیر عوامل عملیاتی طبقه‌بندی شدند. سپس محتوای این مقالات پس از ارزیابی دقیق، به‌صورت خلاصه و منسجم ارائه شد تا مبنایی جامع برای تحلیل فرایند ذخیره‌سازی گاز هیدروژن در حضور گاز پایه فراهم شود. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که استفاده از گازهای متان، نیتروژن و دی‌اکسیدکربن به‌عنوان گاز پایه می‌تواند تا حد بسیار زیادی با کاهش هیدروژن به‌دام‌افتاده درون مخزن، به مباحث اقتصادی پروژه‌های ذخیره‌سازی زیرزمینی گاز هیدروژن کمک کنند. چگالی و گرانروی گاز پایه نقش مهمی در ذخیره‌سازی زیرزمینی هیدروژن دارند. گاز نیتروژن به‌دلیل خواص فیزیکی مطلوب، گزینه‌ای برتر برای تزریق است، زیرا خطر وقوع پدیده‌هایی مانند جدایش ثقلی و انگشتی‌شدن را کاهش می‌دهد. در مقابل، گاز دی‌اکسیدکربن به‌دلیل انحلال در آب سازند و تراکم‌پذیری بالا، نیازمند تزریق حجم بیشتری برای رسیدن به فشار مطلوب مخزن است. علاوه بر این، کاهش فشار و افزایش دما، تخلخل و تراوایی منجر به کاهش خلوص هیدروژن می‌شود. همچنین، شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که تزریق گاز پایه مناسب و افزایش ضریب تخلیه‌ی مخزن پیش از شروع ذخیره‌سازی گاز هیدروژن می‌تواند به افزایش خلوص و بازیافت هیدروژن کمک کند.

چکیده موضوع تحقیق: در صنایع نفت و گاز سالیانه میلیونها دلار سرمایه تجدیدناپذیر در مشعلها سوزانده می­شود که ضمن آلودگی هوا هیچگونه عایدی برای مجموعه ندارد. در کشور ایران و منطقه پارس جنوبی بدلیل وجود پالایشگاه­های گازی حجم قابل ملاحظه­ای از گاز در مشعلها سوزانده می­شود. این تحقیق در قالب مطالعه ای جامع به بررسی فنی و اقتصادی بازیابی گازهای فلر می پردازد.
روش تحقیق: برای این منظور از نرم افزار Aspen-Plus برای شبیه سازی واحد مورد نظر در مجموعه فلرهای فازهای 22 تا 24 پارس جنوبی استفاده شد. شبیه سازی از دو بخش تشکیل شده است: بازیابی گازهای ارسالی به فلر به کمک کمپرسور با حلقه مایع و تولید توان توسط گرمای ناشی از احتراق گازهای ارسالی به فلر از طریق اعمال چرخه رنکین بخار حرارت مجدد. سود آوری طرح شامل برشهای نفتا و گاز مایع بازیابی شده از گازهای ارسالی به فلر از یک سو و تولید توان در توربینها از سوی دیگر است.
نتایج اصلی: اثر میزان هوای ورودی به محفظه احتراق بر دمای گاز خروجی بررسی شد. میزان هوای ورودی به محفظه احتراق برابر 2685 تن در ساعت تعیین شد تا در چرخه رنکین بخار آب فوق بحرانی با دمای حدود 650 درجه سانتیگراد در فشار 26 کیلوپاسکال حاصل شود. با استفاده از نتایج شبیه سازی نمودار دما بر حسب آنتروپی ترسیم شده و علاوه بر نمودار فازی بخار در طول چرخه، منحنی چرخه رنکین بخار نیز ترسیم شد. نتایج این تحقیق نشان دادند که فرایند طراحی شده باعث تولید 5365 کیلوگرم بر ساعت نفتا، 45/179 کیلو گرم بر ساعت گاز مایع، 25903 کیلووات و 101124 کیلووات در دو توربین مجزا و درآمد فروش سالانه 24,782,194 دلار خواهد شد. علاوه بر آن نشان داده شد که دوره بازگشت سرمایه این فرایند برابر 5/2 ماه است.

چکیده موضوع تحقیق: با توجه به شرایط رو به وخامت محیط­زیست و به طور خاص جهانی که با کمبود انرژی و آب تمیز روبرو است، ویژگی­های سیستم خورشیدی تولید بخار از جمله عدم انتشار کربن­دی­اکسید، مصرف انرژی پایین و بازده بالا برای نمکزدایی آب دریا کمک بزرگی به تامین نیاز بشر می­کند. در سیستم‌های مدرن نمک زدایی خورشیدی، انرژی خورشیدی توسط یک جاذب فوترترمال دریافت و سپس به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود تا حجم مشخصی از آب را گرم کرده و بخار تولید کند؛ بخار تولید شده به سطح داخلی پوشش که سردتر است برخورد کرده، متراکم شده و آب تمیز در مخزن جمع می­شود. سیستم‌ خورشیدی تولید بخار باید دارای پنج ویژگی مهم و اساسی، شامل جذب نور زیاد، اتلاف حرارتی اندک، متمرکزسازی گرما، انتقال مناسب آب و در نهایت قابلیت شناوری بر سطح آب باشد.
روش تحقیق: در پژوهش پیش­رو سیستم خورشیدی تولید بخار مبتنی بر جاذب گرافیت ساخته شده و عملکرد آن با استفاده از نانوذرات پلاسمونیک نیکل ارتقا داده شده­ است. بمنظور بررسی اثر ساختار دو زیرلایه برای جاذب فتوترمال ساخته شد که شامل یک فوم پلی­یورتان (PU) تخلخل بسته به عنوان عایق حرارتی و یکی از دو نوع نمد متفاوت از جنس پنبه یا پلی­استر به عنوان لایه انتقال دهنده آب دور فوم PU پیچیده شده است. در این مطالعه مهم­ترین پارامترها از جمله نرخ تبخیر آب، دمای سطح نمونه و بازده سیستم اندازه­گیری شده­اند.
نتایج اصلی: بازده حرارتی و نرخ تبخیر برای جاذب گرافیتی خالص به ترتیب 17/68 % و kg/m².h97/0 است که با اضافه کردن نانوذرات نیکل به آن، به ترتیب تا مقدار 57/93 % و kg/m².h 37/1 افزایش یافته است. اهمیت مهندسی ساختار با استفاده از دو زیرلایه متفاوت با جاذب آب پنبه­ای یا پلی­ استری بررسی و متناسب با شرایط جاذب فتوترمال و موازنه جرم و انرژی، مناسب­ترین زیر لایه همراه با انتقال دهنده آب پلی­استری برای جاذب فوتوترمال گرافیت/نیکل، انتخاب شد.

چکیده موضوع تحقیق: انرژی خورشیدی یک منبع تجدید پذیر بوده که به میزان فراوان موجود است و می‌تواند بسیاری از معضلات کمبود انرژی را برطرف کند. به‌منظور استفاده از انرژی خورشید برای نمک‌زدایی آب و تولید بخار باکیفیت بالا یکی از ساختارهای پیشنهادی ارزان‌قیمت که قابلیت تجاری شدن را دارد، سامانه‌های تولید بخار خورشیدی شناور بر روی آب است. در این سامانه، آب به‌صورت کنترل‌شده به سطح سامانه منتقل‌شده و با استفاده از گرمای تولیدشده در لایه جاذب نور به بخار تبدیل می‌گردد. مطالعات نشان می‌دهد چهار چالش اصلی در سامانه‌های تولید بخار خورشیدی وجود دارد که باید در تحقیقات برطرف گردد. این چالش‌ها شامل مدیریت و جلوگیری از اتلاف‌های حرارتی، استحکام و پایداری ساختار، مدیریت و انتقال آب درون ساختار، جذب نور و تبدیل نور به گرما است.

روش تحقیق: در این مقاله سامانه‌های تولید بخار خورشیدی چندلایه شناور ساخته‌شده است که در آن‌ها از فوم پلی­یورتان تخلخل بسته به‌عنوان لایه عایق حرارتی و زیرلایه اصلی، نمد به‌عنوان لایه انتقال‌دهنده آب و مواد فوتوترمال مختلف شامل گرافیت، طلا و مخلوط گرافیت و طلا به‌عنوان لایه جاذب نور برای تولید بخار باکیفیت بالا استفاده‌شده است. همچنین به منظور تعیین نرخ تبخیر آب و راندمان سامانه ها، میزان تغییرات جرم آب و دمای سامانه اندازه گیری شده است.
نتایج اصلی: نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد در بین سامانه‌های تولید بخار خورشیدی موردمطالعه، در بهینه‌ترین حالت سامانه ساخته‌شده از جاذب مخلوط گرافیت و طلا قادر به تولید بخار با نرخ kg.m^-2.h^-1 1/257 است. این نرخ معادل باراندمان حدوداً 82 % است. همچنین نتایج آزمایش پایداری نشان داد که تغییرات نرخ تبخیر بعد از 30 مرتبه تکرار ناچیز بوده و سامانه ساخته‌شده از پایداری خوبی برخوردار است. درنهایت عملکرد بهینه‌ترین سامانه‌ در شرایط واقعی­ آب‌شور دریا بررسی شد. نتایج نشان داد که نرخ تبخیر آب‌شور دریا به کمک سامانه تولید بخار خورشیدی با جاذب مخلوط گرافیت و طلا، kg.m^-2.h^-1 1/201 و راندمان آن 78/4 % است.

چکیده موضوع تحقیق: کربن فعال یک جاذب متخلخل با سطح ویژه، حجم حفرات و توزیع اندازه حفرات قابل‌قبول برای بسیاری از کاربردها ازجمله جذب سطحی هست. این ماده از منابع متعدد طبیعیِ حاوی کربن به دست می­آید. به دلیل افزایش تقاضا برای کربن فعال، پیش ماده‌های ارزان‌قیمت بسیار مورد توجه هستند. در این میان مایع سیاه که پسماند صنعتیِ حاصل از فرآیند لیگنین کرافت در کارخانجات کاغذسازی و حاوی مقادیر بالایی از کربن است، می­تواند به‌عنوان پیش ماده مناسب و ارزان‌قیمت برای تولید کربن فعال استفاده شده و ارزش افزوده بالایی ایجاد کند.
روش تحقیق: در این تحقیق، در ابتدا لیگنین از پسماند صنعتی مایع سیاه که تهیه‌شده از کارخانه صنایع چوب و کاغذ ایران است، تحت شرایط مشخص و با بررسی تاثیر pH استخراج شد و سپس کربن پودری با استفاده از روش فعال­سازی شیمیایی توسط عامل فعال­سازی شیمیایی فسفریک اسید از لیگنینِ استخراج شده سنتز شد. به‌منظور بررسی اثر پارامتر دمای فعال­سازی بر روی ساختار کربن فعال، شامل مساحت سطح ویژه، حجم حفرات و توزیع اندازه حفرات، سه دمای فعال­سازی 400 و 500 و 600 درجه سانتی­گراد در نسبت عامل فعال­سازی 2 موردبررسی قرار گرفت. جاذب­های سنتز شده به‌منظور بررسی خواص فیزیکی و مورفولوژی سطح تحت آنالیزهای FTIR، BET و SEM قرار گرفتند.
نتایج اصلی: نتایج حاکی از آن بود که بالاترین میزان لیگنین با ساختاری مشابه به لیگنینِ تخریب‌شده، در 2pH= بازیابی شد. بررسی اثر پارامتر درجه حرارت فعال­سازی نشان داد که دمای 500 درجه سانتی­گراد می­تواند دمای مناسبی برای سنتز کربن فعال با مساحت سطح ویژه بالا باشد و افزایش دمای بالاتر از 500 درجه سانتی­گراد مؤثر نیست. از میان جاذب­های سنتز شده، نمونه کربن فعالِ سنتز شده در دمای فعال­سازی 500 درجه سانتی­گراد، دارای بالاترین مساحت سطح ویژه و حجم حفرات کل به ترتیب m²/g 31/1573 و cm³/g 89/0 بود که پتانسیل بالای این پیش ماده را به عنوان جاذب کربن فعال نشان می­دهد.

چکیده ایران کشوری با پتانسیل‌های بالا در دسترسی به انرژی‌های تجدیدپذیر همانند انرژی خورشیدی، آبی، بادی و انواع زیست‌توده است. بیودیزل یکی از سوخت‌های تجدیدپذیری است که همواره به‌عنوان جایگزینی مناسب و پایدار (غیرسمی، ایمن و تجزیه­پذیر) برای سوخت‌های فسیلی مطرح ‌شده است. مرور تجربه کشور های مختلف در زمینه استفاده از منابع خوراکی برای تولید بیودیزل نشان می دهد که استفاده از منابع خوراکی موجب ایجاد معضلاتی از جمله کمبود منابع غذایی برای جوامع انسانی، کمبود خوراک دام‌ها و بر هم خوردن توازن در صنایع غذایی شده و می‌تواند منجر به افزایش چشم­گیر قیمت این منابع شود. بنابراین بسیاری از محققان و پژوهشگران استفاده از منابع غیرخوراکی را به‌منظور رفع معضلات ذکرشده، مطرح کرده‌اند. تاکنون منابع غیر خوراکی بسیار گسترده ای برای تولید بیودیزل شناسایی شده است. در این مقاله، منابع غیرخوراکی بیودیزل که در ایران تولید و یا پتانسیل تولید آن‌ها وجود دارد، معرفی شده و مورد بررسی قرار گرفته و یک مطالعه پتانسیل­سنجی برای آن‌ها ارایه شده است. در اینجا منابع غیرخوراکی بیودیزل در چهار دسته ضایعات کشاورزی، روغن‌های پسماند پخت‌وپز، ریزجلبک‌ها و دانه‌های غیرخوراکی دسته‌بندی می‌شوند و این منابع بر اساس پارامتر های مختلفی همچون درصد روغن موجود، میزان روغن در هر هکتار، راندمان تولید بیودیزل، ویسکوزیته، عدد صابونی شدن و طول دوره کشت مقایسه می گردد، که بر اساس نتایج به دست آمده، دانه‌های غیرخوراکی به خصوص دانه‌های نوروزک، کرچک و گلرنگ به‌عنوان منطقی‌ترین و پایدارترین منابع تولید بیودیزل در ایران، شناسایی شده‌اند. همچنین در کار حاضر به سیاست ها و مشوق هایی که نهاد های متولی می توانند جهت رونق صنعت بیودیزل اعمال نمایند، پرداخته شده است.