پایان نامه ارشد با عنوان

بررسی هیدرودینامیک و انتقال جرم سیال مبتنی بر جداسازی سانتریفوژی غشا و چگالی (CMS) در کانال‌های چرخشی

فاضلاب حاصل از تولید مواد غذایی بسته به نوع خاصی از عملیات پردازش مواد غذایی (به‌عنوان‌مثال میوه، سبزیجات، روغن، لبنیات، گوشت و ماهی) بسیار متغیر است. پیشرفت‌ها در تکنولوژی غشائی مزایای زیادی را برای تصفیه فاضلاب صنایع غذایی به همراه داشته است. با پیاده‌سازی غشاها، مواد جداشده و آب تمیز اغلب به‌صورت شیمیایی بدون تغییر قابل بازیافت هستند و بنابراین به‌راحتی مجدداً استفاده می‌شوند. حداکثر مزایا، زمانی حاصل می‌شود که یک یا هر دو جریان خروجی از سیستم غشایی مورد بازیافت قرارگرفته یا مجدداً مورداستفاده قرار گیرند، درنتیجه نیاز مواد فرایند را کاهش داده و هزینه‌های دفع زباله را به حداقل می‌رساند.

جداسازی سانتریفیوژی غشاء و چگالی ([1]CMS)، تکنولوژی است که برای تصفیه فاضلاب­ها و جریان‌های سیال صنعتی مورداستفاده قرار می‌گیرد. فرآیند CMS یک فرآیند فیلتراسیون با جریان متقاطع[2] است که موجب ترکیب بازیابی ذاتی انرژی[3] برای اسمز معکوس سانتریفیوژی ([4]CRO) با کاهش پتانسیل گرفتگی غشا[5] و قطبش غلظتی[6] می‌شود و دلیل آن اثرات مطلوب شتاب‌های کوریولیس[7] و سانترفیوژی می‌باشد. بازیابی انرژی مبحث مهمی در تبدیل انرژی است که شامل هر روشی برای به حداقل رساندن ورودی انرژی به یک سیستم کلی با تبادل انرژی از یک زیرسیستم کلی با دیگری است. فیلتراسیون با جریان متقاطع، نوعی از فرایند فیلتراسیون است که در آن جریانی از مایع همراه با مواد جامد از روی غشاء یک فیلتر عبور کرده و جداسازی در آن صورت می‌گیرد. همچنین در زمینه‌ی اسمز معکوس، فرایند تصفیه آبی است که در آن از فشار برای معکوس نمودن جریان اسمزی آب از درون یک غشای نیمه‌تراوا برای تولید آب خالص و حذف یون‌ها، مولکول‌ها و ذرات بزرگ‌تر حل شده در آب استفاده می‌شود. هدف از این کار توسعه یک مدل عددی جداسازی غشاء و استفاده از این مدل برای بررسی اثرات چرخش سیستم در جداسازی غشائی اسمز معکوس است. پارامترهای مؤثر بر جریان شار و غلظت سطح غشاء در محیط آزمایشگاهی CMS موردبررسی قرار می‌گیرند. این مدل همچنین برای تعیین تنظیمات، پیکربندی و جهت‌گیری غشاء مورداستفاده قرار می‌گیرد.

[1] Centrifugal membrane and density separation

[2] Cross-flow filtration

[3] energy recovery inherent

[4] centrifugal reverse osmosis

[5] membrane fouling

[6] concentration polarization

[7] Coriolis accelerations

فهرست مطالب

فصل اول: کلیات تحقیق.. 2

1-1- مقدمه. 3

1-2- بیان مسئله. 4

1-3- اهمیت و ضرورت تحقیق… 7

1-4- نوآوری تحقیق… 8

1-5- اهداف تحقیق… 8

1-6- سؤالات تحقیق… 9

1-7- فرضیه‌های تحقیق… 9

1-8- تعريف واژه‏ها و اصطلاحات فني و تخصصی… 10

1-9- سازمان‌دهی تحقیق… 11

فصل دوم: مروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق.. 12

2-1- مقدمه. 13

2-2- مفاهیم و مباني نظري… 13

2-2-1- فاضلاب حجم و کیفیت صنایع غذایی… 13

2-2-2- فرآیند غشایی… 14

2-2-3- جداسازی غشاء. 15

2-2-4- قطبش غلظتی… 17

2-2-4-1- قطبش غلظتی خارجی… 18

2-2-4-2- قطبش غلظتی درونی… 20

2-2-5- گرفتگی غشاء. 21

2-2-6- تاریخچه جداسازی سانتریفیوژی غشاء. 23

2-3- پارامترهای مکانیکی سیال.. 26

2-4- معادلات میدان جریان.. 27

2-5- شرایط مرزی غشاء. 29

2-6- مدل دیوار متخلخل و مدل عبارت منبع.. 30

2-7- محدودیت‌های مدل.. 31

2-8- بررسی اجمالی راه‌حل‌های عددی… 32

2-9- پیشینه تحقیق… 32

فصل سوم: روش تحقيق.. 38

3-1- مقدمه. 39

3-2- روش تحقیق… 41

3-3- خصوصیات مکانیکی سیال.. 42

3-4- شرایط عملیات CMS.. 44

3-4-1- سیستم صفحه و قاب…. 44

3-4-2- عناصر مارپیچ چرخشی تجاری… 45

3-5- روش گردآوري داده‏ها 45

3-6- روش‌ها و ابزار تجزيه و تحليل داده‏ها 46

3-7- تشريح كامل روش تحقيق… 48

3-7-1- روش تحقيق آزمايشگاهي‌ 48

3-7-2- برنامه آزمایشی… 48

3-7-3- روش تحقيق مدلسازي… 51

3-7-3-1- اثر چرخش و جهت گیری… 51

3-7-3-2- الگوهای جریان ثانویه و تأثیر آنها بر غلظت نمک…. 53

3-7-3-3- برش در سطح غشاء. 53

مقایسه با مدل عبارت منبع.. 54

3-7-3-4- جریان های کانال چرخشی… 54

3-8- پیکربندی مسئله. 57

3-9- انتقال جرم. 60

فصل چهارم: نتایج یافته ها 61

4-1- مقدمه. 62

4-2- اعتبار سنجی مدل: جریان غیر چرخشی… 62

4-2-1- راه حل برمن… 62

4-3- برنامه آزمایشات…. 64

4-3-1- دستگاه و هندسه. 64

4-3-2- آماده سازی محلول ها و تجزیه و تحلیل… 65

4-3-3- آزمایشات شاهد.. 65

4-4- جداسازی معمولی غشاء. 67

4-5- اثر چرخش و جهت گیری… 68

4-5-1- الگوهای جریان ثانویه و تأثیر آنها بر غلظت نمک…. 69

4-5-2- میانگین تکامل چرخش در راستای دهانه سطح غلظت نمک در سطح غشایی… 73

4-6- تجزیه و تحلیل بیشتر چرخش سیستم.. 75

4-6-1- اثر تنوع تراکم.. 75

4-6-2- برش بر روی سطح غشایی… 76

4-6-3- مقایسه با مدل عبارت منبع (STM). 78

4-7- جریان کانال چرخشی… 81

4-8- تنظیمات مسئله. 83

4-9- حساسیت شبکه. 85

4-10- انتقال جرمی… 90

فصل پنجم: نتیجه گیری… 96

5-1- مقدمه. 97

5-2- بحث…. 98

5-3- نتیجه‌گیری… 99

5-4- پيشنهادها 100

منابع و ماخذ.. 101

فهرست اشکال

شکل (1-1) فیلتراسیون جریان متقاطع.. 7

شکل (2-1) طرح ماژول غشای فیبر توخالی با جریان داخلی. برای این ماژول‌ها نسبت سطح / حجم زیادی پیش‌بینی‌شده است. 14

شکل (2-2) عنصر غشاء مارپیچ حلزونی… 16

شکل (2-3) طیف فیلتراسیون.. 17

شكل (2-4) پروفايل غلظت و قطبش غلظتی در فرآيند FO… 18

شکل (2-5) طرح شماتیک اسمز معکوس سانترفیوژی و جداسازی غشای سانترفیوژی… 24

شکل (2-6) پشتة غشایی… 25

شکل (2-7) Feed spacerهای حذف‌شده از ماژول‌های موجود در UVic.سمت چپ: spacer از نوع نردبانی و سمت راست: spacer از نوع الماس. 26

شکل (2-8) مدل دیوار متخلخل (PWM) و مدل عبارت منبع (STM). 30

شکل (3-1) جهت گیری غشائی از منظر غشاء. 40

شکل (3-2) جهت گیری غشائی از منظر محور چرخشی. 40

شکل (3-3) عنصر شار در سطح غشائی. 46

شکل (3-4) نمایی از دستگاه CMS با روتور و سلول غشایی… 49

شکل (3-5) دیاگرام پشته غشایی مشتکل از ماژولهای غشای جداگانه. 50

شکل (3-6) هندسه کانال چرخشی. 57

شکل (4-1) پروفیل های U نرمال برای دیواره متخلخل در مسافت های مختلف در طول کانال . 63

شکل (4-2) پروفیل های V طبیعی برای دیوار متخلخل در مسافت های مختلف در امتداد کانال . 64

شکل (4-3) نفوذ شار به عنوان تابعی از فشار برای اسمز معکوس  از 500ppm NaCl. 66

شکل (4-4) مقایسه داده های تجربی شار جرمی نفوذی تجربی و محاسبات CFD برای جداسازی غشای معمولی برای غلظت در هر میلیون NaCl. 68

شکل (4-5) غلظت نمک سطح در طول کانال برای جهت های مختلف. 69

شکل (4-6) بردارهای سرعت ثانویه جهت گیری (0.0.0). 70

شکل (4-7) بردارهای سرعت صفحه با سرعت x / h = 200 برای شبیه سازی های مختلف. 71

شکل (4-8) محورهای غلظت نمک در صفحه در x / h = 200 برای شبیه سازی های مختلف. 72

شکل (4-9) پلات کاهش مولفه سرعت جریان برای جداسازی غشایی معمولی (استاتیک). 73

شکل (4-10) تکامل در طول کانال میانگین غلظت نمک در راستای دهانه. 74

شکل (4-11) میانگین افزایش در راستای دهانه در ​​غلظت سطح با اضافه کردن نیروهای سانتریفوژی از طریق تراکم متغیر. 76

شکل (4-12) توزیع غلظت سطح غشاء در کانال در x / h = 200. 77

شکل (4-13) نرخ برشی غشاء در کانال در x / h = 200. 78

شکل (4-14) مقایسه PWM و STM : سرعت در راستای دهانه در نزدیکی خط مرکزی کانال. 79

شکل (4-15) مقایسه PWM و STM: پلات های تسکین سرعت در راستای دهانه در منطقه کاملاً توسعه یافته. 80

شکل (4-16) مقایسه PWM و STM: میانگین غلظت نمک سطح در راستای دهانه. 81

شکل (4-17) هندسه کانال چرخشی مورد مطالعه. 84

شکل (4-18) سرعت راستای دهانه در لایه اکمن برای Ek های مختلف. 86

شکل (4-19) میانگین راستای دهانه نسبی تنش برشی به شبکه BASE برای . 88

شکل (4-20) میانگین تنش برشی به عنوان تابعی از فاصله شبکه به صورت نرمال تا دیواره بلند. 89

شکل (4-21) ضرایب فشار و اصطکاک در منطقه کاملاً توسعه یافته در صورت چرخش راستای جریان به نرمال  90

شکل (4-22) میانگین اعداد رینولدز دیوار (Re_w)؛ به عنوان تابعی از چرخش، با استفاده از مدل عبارت منبع در موارد: چرخش نرمال، راستای دهانه و راستای جریان به نرمال (° ψ <90 <°0). 92

شکل (4-23) بهبود کل شار نسبت به حالت غیر دوار برای Ro های مختلف. چرخش  نرمال، نسبت منظری=3. 93

شکل 4(4-24) بهبود شار نسبت به حالت غیر دوار برای Roهای مختلف. چرخش راستای دهانه، نسبت منظری = 3. 94

شکل (4-25) بهبود شار نسبت به حالت غیر دوار برای Ro = 0.37 همراه با تغییر چرخش از راستای دهانه به نرمال. Pe = 1.80. 95

فهرست جداول

جدول (3-1) خصوصیات محلو های NaCl در غلظت های مختلف و 25 درجه سانتی گراد. 43

جدول (3-2) سرعت چرخشی مورد نیاز برای توسعه فشار تراغشائی مختلف در CMS سیستم قابل و صفحه. 44

جدول (3-3) شبیه سازی های انجام شده برای بررسی تأثیر چرخش سیستم برای جهت گیری های مختلف غشایی. 52

جدول (3-4) پارامترهای مورد استفاده برای شبیه سازی عددی. 53

جدول (3-5) اعداد راسبی و اکمن محاسبه شده. 58

جدول (3-6) جهت گیری های نیروی کریولیس تولید شده توسط مولفه های سرعت در کانال تحت چرخش عادی   59

جدول (4-1) اعداد محاسباتی راسبی و اکمن… 85

جدول (4-2) شبکه های به کار رفته برای شبیه سازی عددی… 87

تعداد صفحات: 131

برای دانلود فایل کامل پروپوزال این پایان نامه می توانید از اینجا دیدن کنید.

سفارش پروژه مشابه دارید؟ به این صفحه مراجعه کنید.