دفاعیه دکتری در دانشکده مهندسی شیمی ، نفت و گاز

چکیده
در این رساله به بررسی تأثیر نانوذرات در انتقال جرم و هیدرودینامیک سیستم تک قطره به روش تجربی پرداخته‌شده است، همچنین هیدرودینامیک و انتقال جرم سیستم تک قطره به روش CFD بررسی شده است. در فاز مدل‌سازی هیدرودینامیکی، سه سیستم استاندارد استخراج مایع-مایع با دیدگاه VOF توسط دو مدل کشش سطحی CSS و CSF در سه رژیم کروی، چرخشی و نوسانی شبیه­سازی شدند. با تغییر مدل کشش سطحی از CSF به CSS، خطای شبیه­سازی به دلیل کاهش جریان­های پارازیتی کاهش یافت. بیشترین مقدار کاهش خطا از 88/9 به 63/3%، برای سیستم تولوئن- آب به دست آمد. در گام بعدی به بررسی هیدرودینامیک سیستم تولوئن-آب در حضور نانوذرات SiO2 در سه رژیم حرکت قطره پرداخته شد. نتایج شبیه­سازی نشان داد که هیدرودینامیک سیستم تک قطره متأثر از نانوذرات نمی­باشد. به منظور کاهش زمان محاسباتی، الگوریتم دستگاه مختصات متحرک در محاسبات موازی در نرم­افزار فلوئنت توسط کدهای محاسباتی پیاده­سازی شد که منجر به کاهش چشمگیر زمان محاسباتی شد. مدل هیدرودینامیکی در بازه عدد رینولدز 16 تا 1200، عدد وبر 04/0 تا 14، عدد اتووس 02/0 تا 23، عدد کاپیلاری 001/0 تا 05/0 و عدد مورتن 11-10*9/1 تا 6-10*2/1 به کار رفت و روابط جدید سرعت حدی توسط الگوریتم ژنتیک توسعه داده شد. در فاز مدل‌سازی انتقال جرمی، کدهای محاسباتی انتقال جرمی به روش VOF و روش تک معادله­ای به نرم­افزار فلوئنت اضافه شدند و پس از اعتبارسنجی با نتایج مراجع، نتایج انتقال جرمی در بازه عدد رینولدز 30 تا 66، عدد وبر 3/0 تا 49/1، عدد اتووس 48/0 تا83/4،  عدد کاپیلاری 01/0 تا 22/0  و عدد اشمیت 105*92/2  گزارش شدند. همچنین نتایج مدل انتقال جرمی در حالت کشش سطحی وابسته به غلظت (پدیده مارانگونی) و در حالت انتقال جرم به همراه واکنش نیز ارائه شدند. مدل مارانگونی با مدل کشش سطحی CSS در بازه غلظت 5/7 تا 30 گرم، مطابقت خوبی با داده­های تجربی موجود در مراجع نشان داد. در فاز تجربی، به بررسی عملکرد سامانه تک قطره بوتانول- اسید سوکسینیک-آب در حضور نانوذرات آب‌دوست SiO2 در محدوده عدد رینولدز 81 تا 206، عدد وبر 2 تا 8، عدد اتووس 9/1 تا 2/6 ، عدد کاپیلاری 02/0 تا 03/0، و عدد اشمیت104*73/1 پرداخته شد. مشاهدات تجربی به روش پردازش تصویر، عدم تأثیرپذیری هیدرودینامیک سیستم از نانوذرات را نشان داد. از منظر انتقال جرمی، نانوذرات آب­دوست سبب کاهش ضریب انتقال با بیشترین کاهش 84/53% و میانگین کاهش 76/25% شدند. دلایل محتمل بر کاهش انتقال جرم، کاهش حجم آزاد، پیچیدگی مسیر انتقال جرمی در حضور نانوذرات و تجمع نانوذرات در فصل مشترک می­باشند. از نتایج آزمایش‌های تجربی، رابطه­ای برای ضریب انتقال جرم کلی، همچنین رابطه­ای نیز برای ضریب نفوذ مؤثر توسعه داده شد. رابطه ضریب انتقال جرم کلی می­تواند برای پیش­بینی ضریب انتقال جرم هر سیستم استخراج مایع-مایع در حضور نانوذرات کاربرد داشته باشد که دارای مقاومت دوفازی است. در فاز بعدی مدل‌سازی انتقال جرمی CFD، به مدل‌سازی سیستم بوتانول- اسید سوکسینیک – آب پرداخته شد و نتایج شبیه­سازی تطابق خوبی را با نتایج تجربی نشان دادند.
واژه‌های کلیدی: سیستم تک قطره، بررسی تجربی، دینامیک سیالات محاسباتی، VOF، هیدرودینامیک، انتقال جرم، CSS، مارانگونی، نانوذرات SiO2