دانلود پروژه:بررسی آزمایشگاهی و مدلسازی تولید کربنات کلسیم از محلول کلرید کلسیم به وسیله جذب دی اکسید کربن گازهای خروجی از صنایع

فهرست مطالب

عنوان                                         صفحه

فصل اول:مقدمه

1-1- اهميت تحقيق……………………….. 2

1-2- تکنولوژی CCS………………………. 3

1-2-1-  سیستم­های به دام انداختن دی­اکسیدکربن 4

1-2-2- تکنیک­های جداسازی دی­اکسیدکربن…….. 5

1-2-2-1- جذبگاز……………………… 6

1-2-2-2- جذب سطحی……………………. 6

1-2-2-3- جداسازی توسط غشا…………….. 7

1-2-2-4- تقطیر برودتی………………… 7

1-2-2- انتقال دی­اکسیدکربن………………. 7

1-2-3- ذخیره­سازی دی­اکسیدکربن……………. 8

1-3- جریان دورریز کلسیم کلرید واحد صنعتی سودا اش   9

1-4- کربنات کلسیم………………………. 9

1-5- هسته­سازی………………………….. 10

1-5-1- هسته­سازی اولیه ………………… 11

1-5-2- هسته­سازی ثانویه………………… 12

1-6- رشد کریستال……………………….. 12

1-7- چسبندگی…………………………… 14

فصل دوم: مروري بر تحقيقات گذشته

2-1- فرایند تولید سودااش……………….. 16

2-2- اصلاحات انجام شده بر روی واحد سودااش و استفاده از جریان­های دورریز……………………………….. 18

2-2-1- تولید منیزیم کلرید به جای کلسیم کلرید 18

عنوان                                         صفحه

2-2-2- استفاده از آمین به جای آمونیاک…… 19

2-2-3- تولید هیدروکلریک اسید…………… 20

2-2-4- تولیدکلریدآمونیومبه عنوان کود شلتوک برنج  20

2-2-5- تولیدفسفاتکلسیمو فسفات منیزیم……. 20

2-2-6- گچ آرایشی……………………… 22

2-2-7-استفاده از لجن………………….. 22

2-2-8- خنثی­سازی گازهای احتراق………….. 23

2-2-9- استفاده از دورریز واحد تقطیر…….. 24

2-2-10- تولید کود از گل آب نمک تصفیه شده… 25

2-2-11 تولید کربنات کلسیم……………… 26

2-2-12- استفاده از پسماند جامد به عنوان جاذب 26

2-3- به دام انداختن دی اکسید کربن به روش کربناسیون 27

2-4- مطالعات آزمایشگاهی انجام شده در زمینه ترسیب کربنات کلسیم   28

2-5- مطالعات سینتیکی انجام شده در زمینه ترسیب کربنات کلسیم 29

فصل سوم:روش کار

3-1- فرایند……………………………. 35

3-2- شرح راکتور آزمایشگاه ………………. 37

3-3- آزمایشات …………………………. 40

3-4- نمونه برداری از راکتور……………… 41

3-5- آنالیز فاز جامد……………………. 41

3-5-1-آنالیز شکل……………………… 42

3-5-1-1- میکروسکوپ الکترونی SEM……….. 42

3-5-2-آنالیز گونه­های رسوب……………… 43

3-5-2-1- دستگاه پراش پرتوهای ایکس…….. 43

3-5-3- آزمایش هیدرومتری……………….. 44

3-5-3-1- آزمایش…………………….. 46

3-5-3-2- تعیین طول فرورفتگی هیدرومتر….. 47

3-5-3-3- تعیین درصد عبوری ذرات معلق نمونه 48

3-5-3-4- خطای منیسک…………………. 48

عنوان                                         صفحه

3-6- تعیین وزن مخصوص رسوب………………. 50

3-7- آنالیز فاز مایع…………………… 51

3-7-1- اندازه­گیری غلظت یون کلسیم در محلول.. 51

3-7-2- اندازه­گیری غلظت یون کربنات………. 52

3-7-3- اندازه­گیری غلظت یون کلرید……….. 52

3-7-4- اندازه­گیری غلظت یون سولفات………. 52

3-7-5- اندازه گیری غلظت یون سدیم……….. 53

3-7-6- اندازه گیری غلظت یون آهن………… 53

3-7-7- اندازه­گیری غلظت یون منیزیم………. 53

3-8- محاسبه­ی فوق اشباعیت………………… 54

3-9- آنالیز فاز گاز…………………….. 55

3-9-1- اندازه­گیری میزان دی­اکسید کربن در مخلوط گاز سنتزی   55

فصل چهارم: مدل سازی

4-1- معادله­ی موازنه­ی جمعیت فرایند ترسیب…… 58

4-2- معادلات سینتیکی برای ترسیب…………… 60

4-2-1- هسته­سازی………………………. 60

4-2-2- رشد ذرات………………………. 62

4-2-3- توابع تولد و مرگ……………….. 63

4-3- محاسبه­ی جرم کل کریستال­ها و معادله­ی موازنه ی جرم   64

4-4- محاسبه­ی توزیع تجمعی، حجم متوسط ذرات و دانسیته­ی جمعیت  65

4-5- حل معادلات مدل­سازی…………………. 66

4-6- داده­های آزمایشگاهی…………………. 68

4-7- محاسبات اولیه……………………… 68

4-8- حل معادله­ی موازنه­ی جمعیت در برنامه ….. 68

4-9- بهینه­سازی پارامترهای سینتیکی………… 69

4-9-1- تابع هدف………………………. 69

عنوان                                         صفحه

4-10- روش بهینه­سازی الگوریتم ژنتیک……….. 70

4-11- الگوریتم برنامه…………………… 71

فصل پنجم: نتایج و بحث

5-1- تغییرات pH آزمایش­ها………………… 75

5-2- عکس­های SEM (تاثیر غلظت دی­اکسیدکربن بر روی شکل­های کریستالی کربنات کلسیم)…………………………. 79

5-3- تاثیر دی اکسیدکربن بر روی میزان رسوب و اندازه­ی ذرات   84

5-4- نمودارهای XRD (تاثیر غلظت دی اکسید کربن بر میزان گونه­های رسوب)………………………………… 91

5-5- تعیین پارامترهای سینتیکی…………… 98

5-6- صحت مدل………………………….. 100

5-7- حساسیت مدل……………………….. 105

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات

6-1- نتيجه­گيري………………………… 109

6-2-پيشنهادات…………………………. 110

فهرست منابع…………………………….. 111

پیوست………………………………….. 115

پیوست 1- سرعت رشد……………………… 115

پیوست 2 – برنامه کامپیوتری……………… 116

فهرست جدول­ها

عنوان و شماره                                 صفحه

جدول 1: ثوابت سرعت رشد براي کلسيت و واتريت…. 33

جدول 2: شرایط عملیاتی راکتور……………… 36

جدول 3: آنالیز جریان دورریز واحد صنعتی سودا اش 40

جدول 4: مقادیر K  مورد استفاده در معادله­ی(3-6) برای محاسبه­ی قطر ذرات در آنالیز هیدرومتری……………………… 45

جدول5:مقادیر L (عمق موثر) مورد استفاده در رابطه­ی استوکس  49

جدول 6: ضرائب تصحیح صفر………………….. 50

جدول7: مهم­ترين توابع بيان ضريب چسبندگي…….. 64

جدول8: جزء مولي هر يک از گونه‌هاي کربنات کلسيمدر رسوب نمونه­ی خالص  97

جدول9: جزء مولي هر يک از گونه‌هاي کربنات کلسيم در رسوب نمونه­ی صنعتی………………………………………. 98

جدول10: مقادير پارامتر‌هاي موجود در معادلات سرعت رشد، هسته‌سازي و چسبندگي براي کربنات کلسیم در نمونه­ی خالص ….. 99

جدول11: مقادير پارامتر‌هاي موجود در معادلات سرعت رشد، هسته‌سازي و چسبندگي براي کربنات کلسیم در نمونه­ی صنعتی …. 99

جدول12:خطاي AARD بين پيش بيني‌هاي مدل و نتايج آزمايشگاهي در پايان فرآيند ترسیبکربنات کلسیم نمونه­ی خالص به منظور تخمين ميزان اعتبار مدل………………………………………. 103

جدول13:خطاي AARD بين پيش بيني‌هاي مدل و نتايج آزمايشگاهي در پايان فرآيند رشد کربنات کلسیم نمونه ی صنعتی به منظور تخمين ميزان اعتبار مدل……………………………………. 105

فهرست شکل­ها

عنوان                                         صفحه

شکل 1- به دام انداختن دی­اکسید کربن در سه سیستم. 4

شکل 2- مراحل رشد کریستال…………………. 13

شکل 3-فرایند تولید سودااش به روش Solvay………. 18

شکل­ 4- تولید فسفات کلسیم- فسفات منیزیم…….. 21

شکل 5- تولید گچ آرایشی، دارویی و بهداشتی…… 22

شکل 6-تولید گچ………………………….. 23

شکل7- استفاده از دورریز واحد تقطیر………… 25

شکل 8 – شماتیک کلی راکتور ترسیب…………… 37

شکل 9- نمودار توزيع اندازه­ی ذرات اوليه براي فرآيند رشد   38

شکل 10-شماتیک دستگاه آزمایشگاهی…………… 39

شکل 11-ابعادوقسمت‌هاي مختلف يک هيدرومتر…….. 47

شکل 12-شماتیک کلی از دستگاه ارست………….. 56

شکل­13- فلوچارت بهينه­سازي مدل ترسيب کربنات کلسیم 72

شکل­ 14- فلوچارت محاسبه تابع هدف…………… 73

شکل 15- تغییرات pH نمونه­ی خالص 20 درصد حجمی  CO₂با زمان   75

شکل­16 – تغییرات pH نمونه­ی خالص 15 درصد حجمی  CO₂با زمان   76

شکل 17 -تغییرات pH نمونه­ی خالص 10 درصد حجمی  CO₂با زمان   76

شکل­18 -تغییرات pH نمونه­ی خالص 5 درصد حجمی  CO₂با زمان 76

شکل 19 -تغییرات pH نمونه­ی صنعتی 20 درصد حجمی CO₂با زمان   76

شکل20 -تغییرات pH نمونه­ی صنعتی 15 درصد حجمی CO₂با زمان    78

شکل21 -تغییرات pH نمونه­ی صنعتی 10 درصد حجمی CO₂با زمان    78

شکل22 -تغییرات pH نمونه­ی صنعتی 5 درصد حجمی CO₂با زمان 79

شکل23-کربنات کلسيم استفاده شده به عنوان دانه­های اولیه    79

شکل24- رسوب کربنات کلسيم به­دست آمده از نمونه­ی صنعتی در 5 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 80

شکل 25- رسوب کربنات کلسيم به­دست آمده از نمونه­ی صنعتی در 10 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 80

شکل26- رسوب کربنات کلسيم به­دست آمده از نمونه­ی صنعتی در15 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 81

شکل­27- رسوب کربنات کلسيم به­دست آمده از نمونه­ی صنعتی در 20 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 81

شکل 28- رسوب کربنات کلسيم به­دست آمده از نمونه­ی خالص در 5 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 81

شکل 29- رسوب کربنات کلسيم به­دست آمده از نمونه­ی خالص در 10 درصد حجمیدی اکسیدکربن………………………… 82

شکل 30- رسوب کربنات کلسيم به­دست آمده از نمونه­ی خالص در15 درصد حجمیدی-اکسیدکربن………………………… 82

شکل31- رسوب کربنات کلسيم به­دست آمده از نمونه­ی خالص در 20 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 82

شکل32 -ذرات نانو تولید شده در غلظت 20 درصد حجمی دی اکسید کربندر حالت نمونه­ی خالص…………………………….. 83

شکل 33 – جرم تولیدی برای نمونه­ی خالص………. 84

شکل34 – جرم تولیدی برای نمونه­ی صنعتی………. 84

شکل 35- توزيع تجمعی اندازه‌ي ذرات کربنات کلسیم توليدي در حالت خالص در میانه و انتهای فراینددر حالت 5درصد حجمی دی­اکسید کربن     86

شکل 36- توزيع تجمعی اندازه‌ي ذرات کربنات کلسیم توليدي در حالت خالص در میانه و انتهای فرایند در حالت 10درصد حجمی دی­اکسید کربن   86

شکل 37-توزيع تجمعی اندازه‌ي ذرات کربنات کلسیم توليدي در حالت خالص در میانه و انتهای فرایند در حالت 15 درصد حجمی دی­اکسید کربن 87

شکل 38- توزيع تجمعی اندازه‌ي ذرات کربنات کلسیم توليدي در حالت خالص در میانه و انتهای فرایند در حالت 20 درصد حجمی دی­اکسید کربن 87

شکل 39- توزيع تجمعی اندازه‌ي ذرات کربنات کلسیم توليدي در حالت نمونه ی صنعتی در میانه و انتهای فرایند در حالت 5 درصد حجمی دی اکسید کربن  88

شکل40- توزيع تجمعی اندازه‌ي ذرات کربنات کلسیم توليدي در میانه و انتهای فراینددر حالت 10 درصد حجمی دی­اکسید کربن نمونه­ی صنعتی  88

شکل 41- توزيع تجمعی اندازه‌ي ذرات کربنات کلسیم توليدي در میانه و انتهای فراینددر حالت 15 درصد حجمی دی اکسید کربن نمونه­ی صنعتی 89

شکل 42- توزيع تجمعی اندازه‌ي ذرات کربنات کلسیم توليديدر میانه و انتهای فراینددر حالت 20 درصد حجمی دی اکسید کربن نمونه­ی صنعتی 89

شکل 43- قطر متوسط ذرات محصول کربنات کلسیم در برابر غلظت­های مختلف دی اکسید کربن در جریان هوا برای نمونه خالص (a) و دورریزواحد صنعتی(b)……………………………………….. 91

شکل 44- منحني دستگاه XRD براي رسوب نمونه­ی خالص در غلظت 5 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 93

شکل­45- منحني دستگاه XRD براي رسوب نمونه­ی خالص در غلظت10 درصد حجمیدی­اکسیدکربن………………………………. 93

شکل 46- منحني دستگاه XRD براي رسوب نمونه­ی خالص در غلظت15 درصد حجمیدی­اکسید کربن………………………… 94

شکل­47- منحني دستگاه XRD براي رسوب نمونه­ی خالصدر غلظت20 درصد حجمیدی­اکسیدکربن………………………………. 94

شکل48- منحني دستگاه XRD براي رسوب نمونه­ی صنعتی در غلظت5 درصد حجمیدی­اکسیدکربن………………………………. 95

شکل 49- منحني دستگاه XRD براي رسوب نمونه­ی صنعتی در غلظت10 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 95

شکل 50- منحني دستگاه XRD براي رسوب نمونه­ی صنعتی در غلظت15 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 96

شکل51- منحني دستگاه XRD براي رسوب نمونه­ی صنعتی در غلظت20 درصد حجمیدی­اکسیدکربن…………………………. 96

شکل52- منحني‌هاي کاليبراسيون براي آناليز پيک‌هاي XRD براي کربنات کلسيم………………………………………. 97

شکل53- نتايج پيش بيني مدل و توزيع اندازه‌يآزمايشگاهي ذرات کربنات کلسیم توليدي در نمونه­ی خالص در پايان فرآيند با غلظت دی­اکسید کربن 5 درصد حجمی………………………………. 100

شکل­54- نتايج پيش بيني مدل و توزيع اندازه‌ي آزمايشگاهيذرات کربنات کلسیم توليدي در نمونه­ی خالص در پايان فرآيند با غلظت دی­اکسید کربن 10 درصد حجمی………………………………. 101

شکل 55- نتايج پيش بيني مدل و توزيع اندازه‌ي آزمايشگاهي ذرات کربنات کلسیم توليدي در نمونه­ی خالص در پايان فرآيند با غلظت دی­اکسید کربن 15 درصد حجمی………………101

شکل56- نتايج پيش بيني مدل و توزيع اندازه‌ي آزمايشگاهيذرات کربنات کلسیم توليدي در نمونه­ی خالص در پايان فرآيند با غلظت دی­اکسید کربن 20 درصد حجمی………………………………. 102

شکل57- نتايج پيش بيني مدل و توزيع اندازه‌ي آزمايشگاهي ذرات کربنات کلسیم توليدي در نمونه­ی صنعتی در پايان فرآيند با غلظت دی اکسید کربن 5 درصد حجمی ، نشان دهنده اعتبار مدل…………. 103

شکل 58- نتايج پيش بيني مدل و توزيع اندازه‌ي آزمايشگاهي ذرات کربنات کلسیم توليدي در نمونه­ی صنعتی در پايان فرآيند با غلظتدی­اکسید کربن 10 درصد حجمی، نشان دهنده اعتبار مدل………….. 104

شکل 59- نتايج پيش بيني مدل و توزيع اندازه‌ي آزمايشگاهي ذرات کربنات کلسیم توليدي در نمونه­ی صنعتی در پايان فرآيند با غلظت دی­اکسید کربن 15 درصد حجمی ، نشان دهنده اعتبار مدل…………. 104

شکل60-نتايج پيش بيني مدل و توزيع اندازه‌ي آزمايشگاهيذرات کربنات کلسیم توليدي در نمونه­ی صنعتی در پايان فرآيند با غلظت دی­اکسید کربن 20 درصد حجمی ، نشان دهنده اعتبار مدل……………… 105

شکل 61- حساسيت تابع هدف به تغييرات ضريب چسبندگيدر اطراف نقطه بهينه و ثابت بودن بقيه پارامتر­هامطابقجدول11برايحالتنمونه­ی خالص و غلظت 5 درصد حجمی دی اکسیدکربن……………………….. 106

شکل62-  حساسيت تابع هدف به تغييرات ضريب رشد در اطراف نقطه بهينه و ثابت بودن بقيه پارامتر­ها مطابق جدول 11برايحالتنمونه­ی خالص و غلظت 5 درصد حجمی دی اکسیدکربن…………………… 106

شکل 63-  حساسيت تابع هدف به تغييرات ضريب هسته سازي در اطراف نقطه بهينه و ثابت بودن بقيه پارامتر­ها مطابق جدول 11برايحالتنمونه­ی خالص و غلظت 5 درصد حجمی دی اکسیدکربن…………….. 107

شکل 64- حساسيت تابع هدف به تغييرات توان فوق اشباعيت در هسته­سازی در اطراف نقطه بهينه و ثابت بودن بقيه پارامتر­ه مطابق …………………………………………………………………………..108

فهرست نشانه­های اختصاري

فاکتور برخورد	cm3s	A
ثابت دبای هوکل	(-)	ADH
درجه تابعيت سرعت رشد خطي نسبت به فوق اشباعيت	(-)	a
اکتيويته‌ي واحد رشد i ام در محلول اشباع	(mole ( kg H2O)-1)	ai,eq
سرعت هسته‌سازي در واحد جرم محلول	(s-1 (g solution)-1)	B°
سرعت هسته سازی همگن سرعتهستهسازیناهمگن	(s-1 (g solution)-1) (s-1 (g solution)-1)	B0hom   B0het
افزايشتعدادذراتدر اثر چسبیدن ذرات کوچکتر به همکوچکتربهم	((g solution)-1 s-1 µm-1)	B(L,t)
درجه سرعت هسته‌سازي نسبت به فوق اشباعيت	(-)	b
فوق اشباعيت	(g l-1)	ΔC
تصحیح حرارتی هیدرومتر	(cm)	Ct
تصحیح صفر هیدرومتر	(cm)	Cd
غلظت گونه	(g l-1)	Ci
تابع کرنل	(g solution -1μm-3 s-1)	C
کاهش تعداد ذرات در اثر برخورد	((g solution)-1 s-1 µm-1)	D(L,t)
اندازه متوسط ذرات	(µm)	d
اندازه ذرهi ام	(µm)	di
قطر ذره در آزمایش هیدرومتری	(mm)	D
انرژي فعاليت رشد	(J mol-1)	ΔEg
انرژي فعاليت هسته‌سازي	(J mol-1)	ΔEN
سرعت خطي رشد كريستالها	(µm s-1)	G
سرعت رشد هسته‌ها	(µm s-1)	G°
وزن مخصوص ويژه	(-)	Gs
مقاومت یونی	(mol m-3)	I
ثابت سرعت هسته‌سازي	(µm s-1 (g l-1)-2)	K
ثابت نرخ تجمع	(g solution -1μm-3 s-1)	kc
ثابت سرعت رشد خطي	(μm s-1)	kG
ثابت سرعت	(μm s-1(g l-1)-2 )	Kg
ثابت آرنيوس در معادله سرعت رشد	(μm s-1)	KG0
ثابت سرعت هسته‌سازي	(gcrystal s-1)	kN
ثابت آرنيوس در معادله سرعت هسته‌سازي	(gcrystal s-1)	kN0
ثابت ضريب حجمي‌	(-)	kv
اندازه کريستال	(µm)	L
تغيير اندازه كريستال	(µm)	dL
فاصله از بالای هیدرومتر تا سطح سیال	(cm)	L1
طول حباب هیدرومتر	(cm)	L2
طول فرورفتگی هیدرومتر	(cm)	L
دانسيته ماگماي درون کريستاليزر	(gcrystal (g solution)-1)	MT
جرم کريستال	(gcrystal (g solution)-1)	M
جرم کريستال	(gcrystal (g solution)-1)	Mexp
درجه سرعت هسته‌سازي نسبت به دانسيته ماگما	(-)	m
تعداد کل کريستال‌ها	(g solution-1)	N
دانسيته جمعيت ذرات با اندازه L	((g solution)-1 µm-1)	n(L,t)
دانسيته‌ي تعدادي ذرات	cm-3 µm-3	nk
تعداد دفعات اندازه­گيري فوق اشباعيت	(-)	Ns
تعداد بازه­هاي در نظر گرفته شده براي توزيع ذرات	(-)	Ne
علامت‌ لگاريتم‌ منفي‌ براي‌ غلظت‌ يون‌ هيدروژن‌برحسب‌ گرم‌ اتم‌ درهر ليتر	(-)	pH
دبي جريان ورودي يا خروجي	( m3 s-1)	Qk
ثابت عمومي‌گازها	(J mol-1 K-1)	R
فوق اشباعيت	(-)	S
فوق اشباعيت آزمايشگاهي	(-)	Sexp
مساحت سطح کريستال‌ها در سوسپانسيون	(μm3)	s
قرائت نهایی هیدرومتر	(cm)	Rc2
قرائت منیسک	(cm)	Rc1
قرائت استوانه نمونه	(cm)	R
قرائت چگالی سنج	(cm)	Ra
قرائت اصلاح شده	(cm)	Rc
زمان	(s)	t
دما	(K)	T
حجم يک ذره کريستال	(μm3)	u
حجم ذره	(μm3)	up
حجم کريستاليزور	(m3)	V
حجم حباب هيدرومتر	cm3	Vb
حجم يک ذره کريستال	(μm3)	v
حجم يک ذره با اندازه‌ي	(μm3)	vi
حجم يک ذره	(μm3)	vp
حد نهايي حجم بزرگترين ذره کريستال	(μm3)	vmax
کوچکترين حجم  قابل اندازه گيري کريستال‌ها	(μm3)	vmin
وزن پیکنومتر	(N)	WF
وزن پیکنومتر و آب درون آن	(N)	Wa
وزن مخلوط درون هیدرومتر بعد از رسیدن به دمای اولیه	(N)	Wb
کسر جرمی ذرات	(-)	wi
کشش بين سطحي	(N m-1)	γ
ضريب اکتيويته‌ي يون دو ظرفيتي	(-)	γ2
ضریب اکتیویته­ی گونه	(-)	γi
غلظت مولال	(mole ( kg H2O)-1)	[ ]
حروف يوناني
درجه­های سینتیکی کاتیون در واکنش یونی	(-)	α
درجه­ی سینتیکی آنیون در واکنش یونی	(-)	β
عملگر ديفرانسيل	(-)	Δ
دانسيته ذرات	((g cm-3	ρ
فوق اشباع نسبی	(-)	σ
فوق اشباع نسبی سطحی	(-)	iσ
نسبت فوق اشباع	(-)