همانطور که گفته شد سیستم های پراکنده نقش مهمی در فرایندهای عملیات مهندسی شیمی و واکنش های شیمیایی دارند. در آن واکنش های شیمیایی که سطح مشترک عامل تعیین کننده سرعت است و عملیات های انتقال جرم و حرارت، هرچه قطرات ریزتری داشته باشیم، نرخ انجام فرایند افزایش می یابد. اما این امر مشکلاتی را نیز به همراه دارد و زمان جداسازی فازها ممکن است روزها به طور بانجامد که هرگز مطلوب نمی باشد. همچنین ریزتر کردن قطرات هزینه های عملیاتی را بالا می برد. بنابراین در طراحی های سیستم های پراکنده همواره یک توزیع اندازه قطره بهینه مورد نظر است. این توزیع ممکن است باریک و یا گسترده باشد که مسلما توزیعی مناسب است که دارای کمترین انحراف استاندارد باشد. این توزیع علاوه بر مشخصات فازها (ویسکوزیته، دانسیته، کشش بین سطحی) به ساختار هندسی و دور همزن نیز بستگی دارد که همگی آنها را می توان در نرخ های شکسته شدن و کوالسنس قطرات خلاصه کرد.
در طراحی بهینه سیستم های پراکنده در تانک های اختلاط شونده از نوع همزنی بایستی استفاده کرد که با مصرف کمترین میزان انرژی، پراکندگی مورد نظر را در سریع ترین زمان ممکن به وجود آورد. همزن توربینی شش تیغه ای (معروف به توربین راشتون) با توجه به مشخصات پراکنده سازی خوبی که دارد برای این منظور در محدوده های ویسکوزیته کم و در مطالعات سیستم پراکنده مایع – مایع عموما به کار می رود. اگر مکانیسم تعیین کننده اندازه قطرات مجهول باشد، امکان طراحی مناسب عملیات سخت می گردد و ممکن است مسائل مختلفی به وجود آید، مثلا اصلا به اندازه مطلوب قطره دست نمی یابیم یا اینکه بعد از مدت طولانی این امر حاصل شود و یا حتی اندازه قطر متوسط مطلوب به دست آمده باشد ولی توزیع خیلی گسترده باشد.
انتقال جرم و واکنش های شیمیایی بر نرخ های شکسته شدن و کوالسنس و در نتیجه توزیع اندازه قطرات تاثیر دارد. این امر می تواند به دلیل تغییر مشخصات فیزیکی فازها باشد و یا اینکه جزء سوم دیگر بر رفتار کوالسنس تاثیرات مختلفی داشته باشد. در مطالعات سیستم های پراکنده سعی می کنند تا آنجا که امکان دارد فازها خالص و عاری از هرگونه ناخالصی باشد تا اثرات پارامترهای سیستماتیک و مکانیک سیالاتی بهتر مشخص گردد.
اگر سیستم ذاتا کوالسنس کننده باشد، یا اینکه درصد حجمی فاز پراکنده بالا باشد و یا انرژی توربلانسی فاز پیوسته برای شکستن قطرات کافی نباشد، دورهای پایین همزن به قطرات بزرگی خواهد شد. اگر شرایط به گونه ای باشد که نرخ های شکسته شدن و کوالسنس قابل مقایسه باهم باشند، احتمالا خیلی دیر به توزیع مورد نظر دست خواهیم یافت و اگر طراحی تانک و همزن و شرایط عملیاتی به خوبی صورت نگرفته باشد، توزیع خیلی گسترده ای ممکن است حاصل آید.
در این پروژه هدف دانستن مکانیسم تعیین کننده اندازه قطرات و توزیع اندازه قطرات که نقش تعیین کننده در طراحی بهینه تانک های اختلاط شونده دارد، می باشد.
2-1) پیشینه تحقیق
بسیاری از نتایج آزمایشگاهی با تشکیل قطره در یک نازل و سپس رها شدن آن بر روی فصل مشترک مایع – مایع به دست آمد، به طوری که زمان پیوند قطره را بتوان اندازه گیری کرد.
اولین مطالعه دانشگاهی توسط رانولدز (1881) با شاهد پیوند قطرات باران در یک استخر انجام شد و این مسئله توسط ورسینگتون (1895) و اسملوچوسکی (1971) با عکس برداری که آنها را قادر ساخت تا پدیده های پیچیده ای را مشاهده کنند، پیگیری شد و آنها را به سوی مکانیسم تشکیل قطره کوچک هدایت کرد. یک تعریف اجمالی از زمان پیوند یک قطره در فصل مشترک را از زمان تولید یک قطره در نازل تا رسیدن به نقطه ای که محتویات قطره به داخل فاز همگون منتقل شود در نظر می گیرند. یک لایه نازک از سیال فاز پیوسته بین قطره و فصل مشترک حائل می شود، این لایه باید قبل از اینکه عمل گسیخته شدن و سپس انتقال به داخل فاز همگون اتفاق بیافتد، تخلیه شود و تخلیه این لایه نازک فرایند پیوند قطره را کنترل می کند.

Benito و همکارانش مدل سینتیکی 3 تکه ای را به منظور بررسی شکست حرارتی خوراک سنگین حاوی مقادیر قابل توجه آسفالتین در شرایط عملیاتی مشابه با کار تحقیقاتی Singh ارائه کردند. اجزای شبکه سینتیکی شامل تکه سنگین (بخشی از ترکیبات سنگین باقیمانده با دمای جوش بیش از 350 درجه سانتیگراد و محلول در تولوئن)، تکه سبک (شامل محصولات گاز و مایع) و تکه کک (ترکیب نامحلول در تولوئن) با توجه به محدوده جوش انتخاب شده اند. مدل سینتیکی ارائه شده این توانایی را دارد که به بررسی تأثیر شرایط عملیاتی نظیر دما، زمان اقامت و فشار بر فرآیند شکست حرارتی آسفالتین بپردازد.
آقایان Filho و همکارانش مدل سینتیکی 16 تکه ای را برای بررسی شکست حرارتی پسماندهای سنگین خلاء در شرایط آرام در یک راکتور جریانی در نظر گرفتند. اجزای شبکه سینتیکی براساس محدوده جوش انتخاب شده و شامل تکه خوراک (با دمای جوش بیش از 550 درجه سانتیگراد)، تکه گاز، تکه نفتا (با محدوده جوش 70 – 204 درجه سانتیگراد)، تکه گازوئیل سبک (با محدوده جوش 350 – 204 درجه سانتیگراد)، و 12 تکه گازوئیل (با محدوده جوش 550 – 350 درجه سانتیگراد) می باشد. واکنش های شکست اجزای مدل از سینتیک مرتبه یک پیروی کرده و تابع دما و فشار می باشند. مقایسه داده های تجربی یک واحد صنعتی تشکیل کک تأخیری و مقادیر محاسبه شده توسط مدل نشان می دهد که شبکه سینتیکی ارائه شده از دقت مناسبی برخوردار است. مدل سینتیکی ارائه شده در شرایط عملیاتی آرام مستقل از نوع خوراک بوده و این قابلیت را دارد که برای طراحی واحدهای صنعتی شکست سایر خوراک های سنگین نفتی در شرایط عملیاتی مشابه به کار گرفته شود.
در این پایان نامه به منظور پیش بینی دقیق تر توزیع محصولات شکست حرارتی آسفالتین جدا شده از نفت خام کالیفرنیا در یک راکتور ناپیوسته آزمایشگاهی Savage و همکارانش در محدوده دمایی 450 – 350 درجه سانتیگراد و محدوده زمان اقامت 120 دقیقه و فشار اتمسفری، مدل سینتیکی 4 تکه ای Yasar به صورت یک شبکه 14 تکه ای توسعه یافته است.
بخش های مختلفی که در این پایان نامه به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار می گیرند، عبارتند از:
در فصل اول ساختار آسفالتین به عنوان جزء سنگین نامطلوب در نفت خام و پسماندهای سنگین نفتی مورد بررسی قرار می گیرد. شکست حرارتی فرآیندی برای ارتقا خوراک های سنگین نفتی نظیر آسفالتین بوده و عواملی نظیر دما و فشار بر شکست این خوراک ها موثر می باشند. تحقیقات گسترده ای در رابطه با شکست حرارتی و کلیه عوامل موثر در شکست هیدروکربن های سنگین صورت گرفته که در این فصل گردآوری شده است. مدلسازی تکه ای و انواع آن در این فصل به تفصیل شرح داده می

شوند.
در فصل دوم مطالعات آزمایشگاهی گسترده ای که در رابطه با شکست حرارتی آسفالتین و تأثیر شرایط عملیاتی دما، زمان اقامت و فشار بر توزیع محصولات این فرآیند صورت گرفته، به تفصیل شرح داده می شوند. مدلسازی سینتیکی تکه ای به  عنوان یکی از روش های آنالیز فرآیند شکست حرارتی آسفالتین در دو دهه اخیر توجه خاصی را به خود جلب کرده است. نمونه های متعددی در رابطه با مدلسازی تکه ای شکست حرارتی آسفالتین براساس فرضیات گوناگون در این فصل گردآوری شده است.
در فصل سوم مدلسازی سینتیکی و شبیه سازی راکتور شکست حرارتی نمونه آسفالتین جدا شده از نفت خام کالیفرنیا شرح داده می شوند. شرح اجزای مدل، فرضیات مدل، توزیع محصولات شکست حرارتی آسفالتین در شرایط عملیاتی مورد مطالعه، معادلات سینتیکی مدل و روش حل معادلات با استفاده از نرم افزار Matlab از عناوین مهمی است که در این فصل گردآوری شده است.

روش دیگر تزریق كه متداول است، تزریق یك توده پروپان و به دنبال آن تزریق متان می باشد البته در این جا این نكته لازم به یاد آوری است كه پارامترهای دیگری بجز نفوذ ملكولی در تزریق امتزاجی (Miscible Fluid) وجود دارد توزیع تخلخل ها، توزیع اشباع سیالات، سرعت تزریق، تحریك پذیری (mobility) حلال و نفت در ناحیه ترزریق و مقدار سطح تماس نفت و گاز تزریقی از جمله عوامل دیگری می باشند كه بجز ضریب نفوذ ملكولی روی بازیافت نفت در این فرآیند تاثیر گذار می باشند.
در مخازن عادی بازیابی ثالثیه، بعد از تزریق آب در بازیابی ثانویه، نفت باقیمانده در خلل و فرج ها توسط تزریق Co2 از طریق مكانیسم نفوذ ملكولی و انتقال جرم قابل بازیافت است.
در بازیابی ثانویه گاز دی اكسید كربن تزریقی به طور مستقیم با نفت تماس می یابد و چون CO2 به شدت با نفت امتزاج پذیر است، بازیابی بالا می باشد. بعد از برداشت نفت توسط نیروی خود مخزن مقداری نفت هم توسط تزریق آب در بازیابی ثانویه بازیافت می شود، در تزریق آب به درون مخزن مقدار قابل توجهی نفت توسط آب به دام می افتد كه به این نفت، نفت باقیمانده می گویند. دی اكسید كربن به شدت با نفت امتزاج پذیر و با آب امتزاج ناپذیر است.دی اكسید كربن بعد از نفوذ از میان آبی كه نفت را محاصره كرده با نفت تماس می یابد و باعث تورم نفت می شود، نفت آن قدر متورم می شود تا سد یا مانع آبی را از بین ببرد و با خود جریان دی اكسید كربن تماس یابد و بازیافت شود.
بازیابی نفت باقیمانده نسبتاً پایین است و بستگی به سرعت تزریق (Flood Rate) دارد. یك مدل ایده آل یك بعدی كه دی اكسید كربن از میان یك لایه آب به درون یك لایه نفت به دام افتاده نفوذ كرده و به دنبال آن نفت متورم می شود. این مدل كه در زیر نشان داده شده است، به طور دقیق نقش نفوذ ملكولی در پروسس  بازیافت را تشریح می كند.
نفوذ دی اكسید كربن باعث تورم آب به اندازه 3% و تورم نفت به اندازه 40 % می شود. به عنوان یك نتیجه از تورم دو فاز سطح مشترك دو فاز به سمت راست حركت می كند. برای حل مدل فرض شده، سطح آب و دی اكسید كربن ثابت است و حركت نمی كند و تنها سطح مشترك آب و نفت به سمت راست حركت می كند كه این فرض با توجه به درصدهای تورم ذكر شده چندان غیر منطقی به نظر نمی رسد. این فرض اجازه می دهد كه موقعیت فیزیكی واقعی جایی كه ازدیاد نفت و جابجایی كامل فاز آب باعث تماس مستقیم دی اكسید كربن و نفت می شود معلوم شود.

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 فرآیندها 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.

پیشرفت دانش کشاورزی و افزایش جمعیت کره زمین، لزوم افزایش منابع غذایی و استفاده از کودهای مختلف شیمیایی در زمین های مزروعی که به منظور تولید محصولات بیشتر می باشد از یک سو و افزایش دام و طیور و تجمع فضولات حیوانی و پسمانده های محصولات کشاورزی که خود عامل دیگری در آلوده کردن منابع آب زیرزمینی است، سبب بروز نگرانی های مختلفی در مورد تصفیه و بهداشت آب آشامیدنی در کلیه کشورهای جهان حتی کشورهای توسعه یافته شده است. نیترات یکی از مهمترین آلاینده ها بوده که با توجه به حلالیت بسیار بالای آن، خارج کردن آن از آب فرایندی بسیار پر هزینه است. از این رو استانداردهای نیترات حتی در کشورهایی که استانداردها رسما پذیرفته شده است به اجرا در نیامده است.
شهر مشهد با جمعیتی حدود 2 میلیون و هفتصد هزار نفر و وسعت 225 کیلومتر مربع همه ساله میزبان حدودا 16 میلیون زائر است. آب شرب شهر مشهد از طریق 300 حلقه چاه (88/6%) و دو تصفیه خانه (7/1%) و دو دهانه چشمه (4/3%) تامین می گردد یون نیترات طبق استاندارد جهانی تا 5 سال قبل کمتر از 45 میلی گرم در لیتر برای آب شرب تعیین شده بود ولی از 5 سال قبل این میزان تغییر کرده و به 50 میلی گرم در لیتر افزایش یافته است. به طور کلی ازت در آب ممکن است به صورت نیترات، یون آمونیوم و ازت مواد آلی وجود داشته باشد. نیترات ها ممکن است در نتیجه آلودگی آب با مواد آلی و فاضلاب ها به وجود آمده باشد. بالا بودن غلظت یون نیترات در منابع آب شرب باعث بروز بیماری متهمو گلوبینما در نوزادان می شود. در بزرگسالان نیز نیترات در بدن به نیتروزآمین تبدیل می شود که ترکیبی سرطان زا بوده و احتمال بروز سرطان های دستگاه گوارش و مثانه را افزایش می دهد. در شهر مشهد قریب به 80 حلقه چاه دارای نیترات بالاتر از حد مجاز می باشد که غالبا در فصل سرما خاموش بوده و در زمان سرویس با آب هایی که دارای نیترات پایین می باشند در شبکه توزیع آب مخلوط می شوند.

در این پژوهش سیستم های اسمز معکوس و الکترودیالیز از نظر کارایی و هزینه ای در حذف نیترات از آب آشامیدنی باهم مقایسه شده و سپس راکتوری که بیشترین کارایی و کمترین هزینه تولید هر متر مکعب آب تصفیه شده را دارد مشخص خواهد گردید.