پایان نامه پیش بینی عملکرد غشا های اسمز معکوس با استفاده ازبهینه سازی ، مدل سازی ریاضی و حل مدل به کمک روش های عددی

فهرست:

فصل اول-  مقدمه   .................................................................................................. 1

1-1- مقدمه.................................................................................................................. 2

1-2- معرفی موضوع...................................................................................................... 3

1-3- اهداف................................................................................................................. 4

1-4-  غشاها و فرآیندهای غشایی.................................................................................... 5

فصل دوم -  تئوری تحقیق ومروری بر تحقیقات گذشته...................................... 7

2-1-  اسمز، فشار اسمزی، اسمز معکوس و دیدگاهها........................................................ 8

2-2- اصول انتقال جرم غشایی...................................................................................... 9

2-2-1- عملکرد غشا..................................................................................................... 9

2-2-2- پلاریزاسیون غلظتی........................................................................................... 10

2-2-3- نیروهای محرکه برای اسمز معکوس.................................................................... 12

2-3- مکانیزمهای انتقال.................................................................................................. 13

2-3-1- مکانیزم فیلتراسیون غربالی.................................................................................. 13

2-3-2- مکانیزم سطح خیس.......................................................................................... 13

2-3-3- مکانیزم انحلال- نفوذ........................................................................................ 14

2-3-4- مکانیزم جذب ترجیحی- جریان حفره‌ای............................................................. 14

2-4- مدلهای انتقال........................................................................................................ 15

2-4-1- مدلهای مستقل از مکانیزم یا مدلهای پدیده شناسانه انتقال........................................ 16

2-4-1-1- ترمودینامیک غیر برگشتی- روابط پدیده شناسانه انتقال...................................... 16

2-4-1-1- الف-  مدل کدم – کاتچالسکی...................................................................... 17

2-4-1-1- ب-  مدل کدم- اسپیگلر.............................................................................. 18

2-4-2- مدلهای وابسته به مکانیزم.................................................................................... 19

2-4-2-1- مدلهای انتقال غیر متخلخل............................................................................. 19

2-4-2-1- الف-  مدل انحلال- نفوذ............................................................................... 19

2-4-2-1- ب-  مدل انحلال- نفوذ- حفره....................................................................... 20

عنوان                                                                                                                                  صفحه

2-4-2-1- ج-  مدل توسعه یافته انحلال- نفوذ.................................................................. 21

2-4-2-2- مدلهای انتقال بر اساس تخلخل....................................................................... 22

2-4-2-2- الف-  مدل کیمورا- سوریراجان................................................................. 22

2-4-2-2- ب-  مدل حفره های ریز.............................................................................. 24

2-4-2-2-ج-  مدل اصلاح شده- حفره های ریز.............................................................. 25

2-4-2-2- د-  مدل نیروی سطحی- جریان حفره‌ای.......................................................... 27

2-5- مدل اصلاح شده نیروی سطحی- جریان حفره ای..................................................... 30

2-5-1- تعیین توزیع غلظت...................................................................................... 31

2-5-2- تعیین توزیع سرعت......................................................................................... 32

2-5-3- جداسازی و شارهای عبوری حلال و ماده حل شده از درون غشا............................. 33

2-5-4- تابع پتانسیل...................................................................................................... 34

2-5-5- تابع اصطکاک.................................................................................................. 35

2-6- مدل تعمیم یافته اصلاح شده نیروی سطحی- جریان حفره ای ............................ 35

2-6-1- مولفه شعاعی شار ماده حل شده.......................................................................... 35

2-6-2- مولفه محوری شار ماده حل شده......................................................................... 37

2-6-3- تعیین توزیع سرعت......................................................................................... 39

2-6-4- جداسازی و شار ماده حل شده و حلال عبوری از غشا............................................ 39

2-6-5- تابع پتانسیل...................................................................................................... 40

2-6-6- تابع اصطکاک.................................................................................................. 40

فصل سوم-  روشهای عددی حل معادلات دیفرانسیل و غیرخطی................ 41

3-1- تئوری گسسته سازی.............................................................................................. 42

3-2- روش اختلاف محدود............................................................................................ 43

3-3- روش المان محدود................................................................................................ 44

3-4- روش حجم محدود............................................................................................... 45

3-4-1- طرح اختلاف مرکزی........................................................................................ 47

3-4-2- طرح اختلاف بالا دست..................................................................................... 48

عنوان                                                                                                                                  صفحه

3-4-3- طرح اختلاف پیوندی........................................................................................ 49

فصل چهارم-  مدلسازی ریاضی و بهینه سازی..................................................... 50

4-1- مقدمه.................................................................................................................. 51

4-2- روش کلی حل معادلات مدل MD-SF-PF و Ex-MD-SF-PF................................... 51

4-3- گسسته سازی معادلات........................................................................................... 52

4-3-1- گسسته سازی معادله سرعت................................................................................ 52

4-3-2- گسسته سازی معادله غلظت................................................................................. 54

4-4- حل معادلات جبری............................................................................................... 59

4-5- بهینه سازی........................................................................................................... 59

فصل پنجم-  نتایج .................................................................................................. 64

   5-1- نتایج حاصل از حل عددی و بهینه سازی مدل MD-SF-PF.................................... 65

5-2- نتایج حاصل از بهینه سازی مدل  Ex-MD-SF-PFوسایر مدل های پیشنهادی........ 68

5-3- بررسی نتایج مدلEx-MD-SF-PF وNew-Ex-MD-SF-PF..................................... 74

5-3-1- مقایسه نتایج حاصل از حل عددی مدلEx-MD-SF-PF ومدل New-Ex-MD-SF-PF با داده های آزمایشگاهی      74

5-3-2- بررسی توزیع غلظت مدلEx-MD-SF-PF  ومدلNew-Ex-MD-SF-PF................ 81

5-3-3- مقا یسه توزیع سرعت مدلEx-MD-SF-PF  ومدل New-Ex-MD-SF-PF........... 83

5-3-4- بررسی ومقایسه روندتغییرات تابع پتانسیل مدلEx-MD-SF-PF ومدل
New-Ex-MD-SF-PF .................................................................................................. 84

5-4- بررسی اثر تابع پتانسیل بر مدلEx-MD-SF-PF...................................................... 88

5-4-1- بررسی توزیع سرعت مدل پیشنهادی با توابع (Ex-P4-F1).................... 93

5-4-2- بررسی روند تغییرات تابع پتانسیل مدل پیشنهادی با توابع (Ex-P4-F1)            94

فصل ششم-  نتیجه گیری و پیشنهادات.............................................................. 96

6-1- نتیجه گیری...................................................................................................... 97

6-2- پیشنهادات.......................................................................................................... 98

مراجع........................................................................................................................... 100

منبع:

[1] مرادی.ع،"تعیین منحنی های عملکرد غشاهای اسمز معکوس با استفاده ازمدلMD-SF-PF"،

پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس، بخش مهندسی شیمی(1371).

[2] Reid, C.E. and Breton, E.J., “Water and Ion Flow Across Cellulosic Membranes”, J.Appl. Polym. Sci., 1,113-143(1959).

[3] Applegate, L.E., “Membrane Separation Processes”, Chem.Eng., June 11,
 46-89 (1984).

[4] Cadotte, J.E., and Peterson, R.J., “A New Thin-Film Composite Sea Water Reverse Osmosis Membrane”, Desalination, 1980; 32, 25-31.

[5] Cadotte, J.E. “Evaluation of Composite Reverse Osmosis Membranes in Material Sience of Synthetic Membranes”, D.R. Lloyd, Ed. ACS Syposium series 269, Washington, D.C. (1985)

[6] Kesting, R.E., “Synthetic Polymeric Membranes: A Structural Perspective”, 2nd ed.John Wiley and Sons, New York, NY (1985)

[7] Sourirajan, S., “Reverse Osmosis and Synthetic Membranes: Theory-Technology-Engieering”, National Research Council Canada, Ottawa, Canada (1977).

[8] Dickson, J.M., and Mehdizadeh, H., “Overview of Reverse Osmosis for Chemical Engineers, Part I: Fundamentals of Membranes Mass Transfer”, J.Eng. Islamic Rep. Iran, 1(4), 163-179 (1988).

[9] Mehdizadeh, H. and Dickson, J.M., “Theoritical Modification of the Surface Force-Pore Flow Model for Reverse Osmosis Transport”, J, Memb.Sci, 1989; 42, 119-145.

[10] Mehdizadeh, H. and Dickson, J.M., “Evaluation of Surface Force-Pore Flow and Modified Surface Force-Pore Flow Modes for Reverse Osmosis Transport”, Desalination, 1989; 24, 814.

[11] Mehdizadeh, H., “Modeling of Transport Phenomena in Reverse Osmosis Membranes”, PH.D. Thesis, McMaster University, Canada, 1990.

[12] Taylor, J.S., Duranceau, S.J., Barrett, W.M., and Goigle, J.F., “Assessment of Potable Water Membrane Applications and Development Needs”, AWWA Res. Foun. And Amer. Water work Assoc. December, 1989.

[13] Soltanieh, M., and Gill, W.N., “Review of Reverse Osmosis Membranes and Tramsport Models”, Chem. Eng. Commun. 1981; 12, 279-363

[14] Levin, I.N., “Physical Chemistry”, 3rd Ed., McGraw Hill, New York, NY 1988.

[15] Atkins, P.W., “Physical Chemistry”, 3rd Ed., Oxford Yniversity press , 1986.

[16] Lonsedale, H.K., Merten, U., and Reily, R.L., “Transport Properties of Cellulose Acetate Osmosis Membranes”, J.Appl. Poly.Sci, 1965; 9, 1341-1362.

[17] Banks, W., and Sharples, A., “Studies on Desalination by Reverse Osmosis:  Mechanism of Solute Rejection”, J.Appl. Chem., 1966; 16, 153-158.

[18] Sourirajan, s., “Reverse Osmosis”, Academic Press, New York, NY, 1970.

[19] Spiegler, K.S., and Kedem, O., “Thermodynamic of Hyperfiltration (Reverse Osmosis): Criteria for Efficient Membranes”, Desalination, 1966; 1, 311-326.

[20] Sherwood, T.K., Brian, P. L. T., and Fisher, R. E., “Desalination by Reverse Osmosis”, I & EC Fund, 1967; 6(1), 2-12.

[21] Jonsson, G., and Boesen, C.E., “Water and Solute Transport through Cellulose Acetate Reverse Osmosis Membranes”, Desalination, 1975; 17, 145-165.

[22] Kimura, S., and Sourirajan, S., “Analysis of Data in Reverse Osmosis With Porous Cellulose Acetate Membranes Used”. , ALCHE J. 1967; Vol. 13, 497.

[23] Sourirajan, S., and Matsuura, T., “Reverse Osmosis Ultrafiltration Process Principles”, NRC, Ottawa, Canada, 1985.

[24] Mehdizadeh, H. and Dickson, J. M., “Theoritical Modification of the Finely Porous Model for Reverse Osmosis Transport”, J. Appl. Polym. Sci., 1991; 42, 1143-1154.

[25] Matsuura, T., and sourirajan, S., “Reverse Osmosis Transport through Capillary Pores under the Influence of Surface-Forces”, Ind. Eng. Chem. Process Res. Dev., 1981; 20, 273-282.

[26] Anderson, J.L., and Malone, D. M, “Mechanism of Osmotic Flow in Porous Membranes”, Biophys. J., 1974; 14, 957-982.

[27] Mehdizadeh, H., Molaiee-Nejad, Kh., Chong, Y.C., “Modeling of Mass Transport of Aqueous Solutions of Multi-Solute Organics Through Reverse Osmosis Membranes in Case of Solute-Membrane Affinity Part 1. Model Development and Simulation “, J. Memb. Sci., 2005; 267, 27-40.

[28] Versteeg, Henk Koarle., “An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method”, Longman, 1995.

[29] ورستیگ، مالالا سکرا، ترجمه: شجاعی، م.ح.، نورپور هشترودی، ع، مقدمه ای بر دینامیک سیالات محاسباتی، چاپ دوم، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، 1386

[30] هولمن، ج. ف.، ترجمه: ملک زاده، غ.، کاشانی حصار، م.ح.، مفاهیم انتقال حرارت، چاپ

دهم، انتشارات جهان فردا، تهران، 1384

[31] جونیور، ج. دی، ا.، ترجمه: مهرابیان، م.ع.، دینامیک سیالات محاسباتی، اصول و کاربردها، چاپ سوم، انتشارات دانشگاه شهید باهنر کرمان، 1380

[32] Currie, I. G., “Fundamental Mechanics of Fluids”, McGraw-Hill, Inc., 1974. ISBN 0-07-014950-X