عنوان پایان‌نامه

طراحی و بهینه کاوی راکتور کاویتاسیون هیدرودینامیکی برای استفاده در فرآیند اکسایش پیشرفته



    دانشجو در تاریخ ۰۵ بهمن ۱۳۹۴ ، به راهنمایی ، پایان نامه با عنوان "طراحی و بهینه کاوی راکتور کاویتاسیون هیدرودینامیکی برای استفاده در فرآیند اکسایش پیشرفته" را دفاع نموده است.


    رشته تحصیلی
    مهندسی شیمی
    مقطع تحصیلی
    دکتری تخصصی PhD
    محل دفاع
    کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1692.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72474
    تاریخ دفاع
    ۰۵ بهمن ۱۳۹۴
    دانشجو
    رضا غیایی
    استاد راهنما
    محمود ترابی انگجی

    در تحقیق حاضر یک راکتور کاویتاسیون هیدرودینامیکی در مقیاس نیمه‌صنعتی به ظرفیت 280 لیتر و شدت‌جریان حجمی سیال در گردش 2 تا 5 لیتر بر ثانیه با قابلیت کاربری در محیط‌های آبی طراحی و ساخته شد. عملکرد این راکتور به‌منظور ایجاد شرایط مناسب جهت وقوع واکنش‌های اکسایش پیشرفته در سامانه‌های همگون و ناهمگون بهسازی گردید. اثر مشخصه‌های هندسی راکتور بر وقایع کاویتاسیونی از طریق شبیه‌سازی با نرم‌افزار انسیس-فلوئنت مطالعه شد و مشخص گردید که شدت وقایع کاویتاسیونی را می‌توان با انتخاب طرح هندسی صحیح، تنظیم ابعاد و کنترل شرایط جریان مایع در درون راکتور، تنظیم نمود. بر اساس مناسب‌ترین طرح‌ هندسی شناسایی‌شده، یک راکتور کاویتاسیون هیدرودینامیکی با عناصرمولدکاویتاسیون (ونتوری و صفحات اریفیس) قابل تعویض ساخته شد. برای صحه‌گذاری عملکرد این راکتور از سه روش متداول تشخیص کاویتاسیون شامل مشاهده‌ی بصری، سنجش شیمیایی و پایشگری امواج استفاده گردید؛ که از‌این‌بین روش پایش نوسانات فشار به‌عنوان مؤثرترین روش تشخیص برخط؛ اما غیرمستقیم، پدیده‏ی کاویتاسیون در درون راکتور معرفی شد. در ادامه، ماده‌ی شیمیایی دی‌متیل‌هیدرازین‌نامتقارن که سمّی، سرطان‌زا و مقاوم در برابر تخریب‌زیستی است، به‌عنوان آلاینده‏ی مدل انتخاب شد. با انجام آزمایش مشخص گردید که تخریب این آلاینده در راکتور کاویتاسیون هیدرودینامیکی و بدون استفاده از هر نوع ماده‌ی اکسیدکننده امکان‌پذیر است؛ اما بالاترین میزان تخریب ماده‌ی مذکور در این شرایط 8/36 درصد است. برای حذف کامل آلاینده به ترکیب فرآیند اکسایش کاویتاسیونی با سایر فرآیندهای اکسایش پیشرفته مثل شیمی فنتون و بهسازی شرایط عملیاتی راکتور نیاز است. با کمک مجموعه‌ی آزمایش‌هایی که بر اساس روش تاگوچی طرح‌ریزی شدند، محدوده‌ی مناسب شرایط عملیاتی راکتور برای حداکثر کردن میزان تخریب آلاینده تعیین گردید. آلاینده‌ی موردمطالعه‌ تحت شرایط عملیاتی مناسب یعنی فشار ورود 658 کیلوپاسکال، فشار خروج 300 کیلوپاسکال، دمای 25 درجه ‌سلسیوس، پی‌اِچ برابر با 3 و عدد کاویتاسیون 46/0 از طریق فرآیند ترکیبی کاویتاسیون‌ هیدرودینامیکی-‌فنتون ‌پیشرفته در حضور آهن فلزی (ظرفیت صفر) تا 6/98 درصد مقدار اولیه تخریب و از محیط آزمایش حذف شد. نوآوری روش معرفی‌شده حذف کامل عامل اکسیدکننده فنتون و تامین پراکسیدهیدروژن لازم برای فرآیند از طریق تولید درجای آن در راکتور کاویتاسیون هیدرودینامیکی است. در ادامه، روش نوآورانه‌ دیگری هم برای تخریب آلاینده‏ی مورد نظر بر پایه ترکیب فرآیند کاویتاسیون ‎هیدرودینامیکی و کاویتاسیون آکوستیکی معرفی شد. هم‎افزایی فرآیندها در این روش 16 درصد بود و زمان واکنش تخریب آلاینده تا یک‌سوم زمان لازم برای فرآیند ترکیبی کاویتاسیون‌ هیدرودینامیکی-‌فنتون‌ پیشرفته کاهش یافت. با استفاده از این روش، برای نخستین بار یک ترکیب هیدرازینی بدون نیاز به هیچ ماده شیمیایی در مدت‌زمان کوتاه (40 دقیقه)، تحت شرایط معمولی یعنی دمای 25 درجه‌سلسیوس و فشار 537 کیلوپاسکال، بدون تولید محصولات جانبی سمّی تا 8/97 درصد مقدار اولیه تخریب شد.
    Abstract
    In the present study a 280 liters pilot-scale hydrodynamic cavitation reactor with the capability of working in aqueous media has been designed and built. The volumetric flow rate within the reactor can be adjusted from 2 to 5 L/s depending on the selected operating condition. The performance of the reactor was modified to create the necessary conditions for the occurrence of advanced oxidation reactions in heterogeneous or homogenous systems. The influence of size, shape and reactor geometry on the cavitational events were studied through ANSYS computational fluid dynamics (CFD) simulation software. The simulation results revealed that the intensity of the events strongly depends on the shape and size of the cavity generator (venturi or orifice plate) as well as the fluid flow parameters. Cavitation detection and monitoring of the reactor was done through three common methods i.e., visual observation, chemical dosimetry and acoustic based monitoring. Among these three methods, the pressure fluctuation frequency analysis appear to be a promising technique for online detection of cavitation phenomenon. Unsymmetrical dimethyl hydrazine (UDMH), a human carcinogen bio-refractory toxic material, was selected as a model pollutant. Experiments performed in this study indicate that the destruction of this pollutant in the hydrodynamic cavitation reactor without the use of any oxidant is possible, however, maximum extend of degradation is 36.8%. Complete removal of UDMH could be achieved when a combined treatment method based on synergism between hydrodynamic cavitation and the advanced Fenton oxidation process was used. With the help of experiments designed via Taguchi method, the operating parameters of the reactor, including inlet pressure (p1), downstream pressure (p2), temperature (T), fluid velocity, initial concentration of pollutant, loading of process intensifying additives/catalysts, operating pH, cavitation number (K), and reaction time have been optimized. The novel combination of hydrodynamic cavitation with advanced Fenton process in the presence of zero valent iron resulted in 98.6% removal of the pollutant under optimized operating conditions (p1=658 kPa, p2=300 kPa, T=25 ?C, pH 3 and K=0.46). With the aim of enhancing the process, an innovative approach based on the combination of hydrodynamic cavitation technology with acoustic cavitation method in a hybrid cavitation reactor was used successfully for the removal of the aqueous solution of UDMH. The similarity between the mechanism of destruction in these two techniques and some optimum operating conditions point towards the possible synergies (up to 16%) between these methods. This is, to the best of our knowledge, the first time that a hybrid cavitation reactor without any chemical agent is used to treat hydrazine contaminated wastewater. We end that the hybrid method of combination of hydrodynamic and acoustic cavitation is a novel method for nearly complete (97.8%) destruction of UDMH, which produce no toxic by-products in a short period of time (40 min.) at a moderate condition (p1=537 kPa and T=25 ?C).