شیمی فیزیک

 

محاسبات انرژی آزاد گیبس برای تعویض مهمان در هیدرات گازی sI با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

 

استاد راهنما

دکتر حسین محمدی منش

 

استاد مشاور

دکتر محمد کمالوند

 

اسفندماه 93

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

عنوان                                               صفحه

فصل اول:هیدرات گازی

1-1- هیدرات گازی.. 2

1-2- هیدرات‌های گازی در گذر زمان.. 3

1-3- ساختار هیدرات‌های گازی.. 4

1-3-1- ساختار sI. 5

1-3-2- ساختار sII. 6

1-3-3- ساختار sH.. 6

1-3-4- نکاتی مربوط به ساختار‌های هیدرات.. 7

1-4- مشخصات مولکول مهمان.. 8

1-5- هیدرات­های گازی در طبیعت… 8

1-6- اهمیت هیدرات‌های گازی.. 10

1-6-1- مزایای هیدرات گازی.. 11

1-6-1-1- انتقال گاز طبیعی.. 11

1-6-1-2- منبع انرژی.. 12

1-6-1-3- جداسازی دی­اکسیدکربن.. 12

1-6-1-4- هیدرات‌های گازی در صنعت غذایی.. 13

1-6-1-4-1- تغلیظ آب میوه­ها 13

1-6-1-4-2- شیرین­سازی آب دریا 13

1-6-1-4-3- جداسازی آنزیم­ها 14

1-6-2- مضرات هیدرات گازی.. 14

1-7- بازدارنده­ها 15

1-7-1- بازدارنده‌های ترمودینامیکی.. 15

1-7-2- بازدارنده‌های غیرترمودینامیکی.. 16

1-7-3- معیار‌های بازدارنده. 16

1-8- جذب.. 17

فصل دوم:شبیه سازی دینامیک مولکولی

2-1- تاریخچه­ی شبیه­سازی.. 20

2-2- شبیه سازی دینامیک مولکولی.. 21

2-3- سامانه های مدل و پتانسیل های برهمکنش…. 21

2-4- معرفی مدل پتانسیل برای برهمکنش بین مولکول های سازندهی سامانه. 23

2-5- معرفی مدل پتانسیل برای برهمکنش بین سیستم و محیط.. 23

2-5-1- شرایط مرزی دوره­ای.. 24

2-5-2- قطع پتانسیل و قرارداد نزدیکترین تصویر. 25

2-6- الگوریتم انتگرال­گیری زمانی.. 25

2-6-1- الگوریتم ورله. 26

2-6-2- الگوریتم جهشی ورله. 27

2-6-3- الگوریتم ورله سرعتی.. 28

2-7- اولین گام در شبیه سازی دینامیک مولکولی.. 29

2-7-1- تعیین مکان­های اولیه ی ذرات.. 29

2-7-2- تعیین سرعت­های اولیه ی ذرات.. 30

2-8- دومین گام در شبیه­سازی دینامیک مولکولی.. 30

2-9- سومین گام در شبیه­سازی دینامیک مولکولی اندازه گیری خواص ترمودینامیکی.. 31

2-10- چهارمین گام در شبیه­سازی دینامیک مولکولی: تحلیل نتایج.. 32

2-11- انواع مجموعه ها در شبیه­سازی دینامیک مولکولی.. 32

2-12- انواع خطاها در شبیه­سازی دینامیک مولکولی.. 33

2-12-1- خطاهای آماری.. 33

2-12-2- خطاهای سیستماتیک… 33

2-13- محدودیت­های شبیه­سازی دینامیک مولکولی.. 34

2-13-1- اثرات کوانتومی.. 34

2-13-2- تعیین پتانسیل­های برهمکنش…. 34

فصل سوم: محاسبات انرژی آزاد گیبس

3-1- انواع خواص ترمودینامیکی.. 36

3-1-1- توابع ترمودینامیکی ساده. 36

3-1-1-1- انرژی داخلی.. 36

3-1-1-2- فشار. 37

3-1-1-3- میانگین مجذور نیرو. 37

3-1-2- توابع ترمودینامیکی پاسخ.. 38

3-1-3- خواص وابسته به انتروپی.. 39

3-1-3-1- انتگرال گیری ترمودینامیکی.. 40

3-1-3-2- روش ذره­ی آزمایشی.. 40

3-1-4- انرژی آزاد. 41

3-2- انواع روش­ها برای محاسبه ی اختلاف انرژی آزاد. 43

3-2-1- اختلال ترمودینامیکی.. 43

3-2-1-1- محاسبه­ی اختلاف انرژی آزاد حلال پوشی بازهای نیتروژن­دار با روش اختلال ترمودینامیکی   44

3-2-1-2- محاسبه­ی اختلاف انرژی آزاد هشت لیگاند مربوط به پروتئین پیوندی FK506 با FKBP12 به روش اختلال ترمودینامیکی.. 46

3-2-2- روش تدریجی.. 50

3-2-3- خط سیر چند مرحله ای.. 50

3-2-4- انتگرال­گیری ترمودینامیکی.. 53

3-3- کاربرد روش­های محاسبه ی اختلاف انرژی آزاد. 53

3-3-1- چرخه­های ترمودینامیکی.. 53

3-3-2- محاسبه­ی انرژی آزاد مطلق.. 55

فصل چهارم:محاسبات انرژی آزاد گیبس برای تعویض مهمان  در هیدرات گازی  sI با استفاده از شبیه­سازی دینامیک مولکولی

4-1- روش انتگرال­گیری ترمودینامیکی.. 58

4-2- سابقه تحقیق.. 59

4-3- مشخصات مولکول هیدروژن سولفید. 67

4-4- نرم افزارشبیه سازی و فایل­های ورودی در این تحقیق.. 68

4-4-1- فایل­های ورودی نرم­افزار. 68

4-4-1-1- فایل ساختار اولیه ذرات (CONFIG) 69

4-4-1-2- فایل تعیین پارامترهای کنترل شبیه­سازی (CONTROL) 71

4-4-1-3- تهیه­ی فایل ورودی (FIELD) 72

4-4-2- فایل­های خروجی نرم افزار. 73

4-4-2-1- فایل ساختار نهایی ذرات (REVCON) 74

4-4-2-2- فایل خروجی اصلی شبیه­سازی (OUTPUT) 74

4-4-2-3- فایل اطلاعات روند شبیه­سازی به زبان ماشین (REVIVE) 74

4-5- محاسبه ی انرژی آزاد جانشینی های مختلف هیدروژن سولفید به جای متان در هیدرات­های گازی sI  75

4-6- محاسبه­ی خواص ساختاری و ترمودینامیکی.. 83

4-6-1- تابع توزیع شعاعی.. 84

4-6-2- بررسی وابستگی حجم سلول واحد به دما 92

4-6-3- بررسی ضریب انبساط گرمایی خطی.. 97

4-6-4- بررسی ضریب تراکم­پذیری هم دما 105

مراجع.. 109

فهرست شکل ها

عنوان                                                                         صفحه

شکل (1- 1) رشد مقاله‌های مربوط به هیدرات‌های گازی در قرن بیستم. 4

شکل (1- 2) انواع قفس‌های موجود در ساختار‌های هیدرات گازی: (الف) دوازده وجهی پنج ضلعی (512)؛ (ب) چهارده وجهی (51262)، (ج) شانزده وجهی (51264)، و (د) بیست وجهی (51268) 4

شکل (1- 3) سلول واحد (الف) ساختار sI ، (ب) ساختار sII، و (ج) ساختار sH.. 5

شکل (1- 4) شکل حفره ها در ساختار sI 6

شکل (1- 5) شکل حفره ها در ساختار sII 6

شکل (1- 6) شکل حفره ها درساختار sH.. 7

شکل (1- 7) توزیع کربن آلی در منابع زمین ) بجز در صخره ها( برحسب گیگا تن. 10

شکل (1- 8) منابع پیش بینی شده و کشف شده ی هیدراتهای گازی در کره ی زمین. 10

شکل 2- 1- شرایط مرزی دوره­ای. 24

شکل 3- 1 – فرمول ساختاری هشت لیگاندی که در محاسبات مورد استفاده قرار گرفت.. 48

شکل 3- 2- چرخه ترمودینامیکی برای اتصال لیگاند­های L1و L2 به گیرنده R. 54

شکل 3- 3- یک چرخه­ی ترمودینامیکی برای اجتماع L و R و تشکیل یک کمپلکس LR در دو فاز گازی و محلول  55

این مطلب را هم بخوانید :

شکل (4- 1) نسبت  برای مقدارهای مختلف  برای جانشینی  در هیدارت گازی  60

شکل (4- 2)وابستگی   برحسب σ و  (a)  ثابت در Ǻ 5/5. 62

شکل (4- 3) وابستگی   بر حسب σ و  (b)  ثابت در kJ/mol 930/2. 63

شکل (4- 4) وابستگی  و  بر حسب . 63

شکل (4- 5) مدل سه جایگاهی SPC/E (سمت راست) و چهار جایگاهی TIP4P (سمت چپ) مولکول آب   69

شکل (4- 6) پیدا کردن موقعیت سه جایگاه مدلTIP4P  از مختصات اولیه اتم های مدل SPC/E. 70

شکل (4- 7) قسمتی از فایل CONFIG هیدرات گازی  sIمدل TIP4P آب.. 71

شکل (4- 8) فایل CONTROL هیدرات گازی sI در دمای K100. 72

شکل (4- 9) نمودار Gبرحسب λ واکنش جانشینی یک مولکول مهمان هیدروژن سولفید به جای یک مولکول متان در قفس بزرگ هیدرات گازی sI در دمای 50 کلوین. 77

شکل (4- 10) نمودار Gبرحسب λ در واکنش جانشینی دو مولکول مهمان هیدروژن سولفید به جای دو مولکول متان در قفس بزرگ هیدرات گازی sI در دمای 50 کلوین. 78

شکل 4- 11- نمودار Gبرحسب λ در واکنش جانشینی سه مولکول مهمان هیدروژن سولفید به جای سه مولکول متان در قفس بزرگ هیدرات گازی sI در دمای 50 کلوین. 79

شکل 4- 12- نمودار Gبرحسب λ در واکنش جانشینی پنج مولکول مهمان هیدروژن سولفید به جای پنج مولکول متان در قفس بزرگ هیدرات گازی sI در دمای 50 کلوین. 80

شکل 4- 13- نمودار   برحسب  ،در واکنش جانشینی شش مولکول مهمان هیدروژن سولفید به جای شش مولکول متان در قفس بزرگ هیدرات گازی sI در دمای 50، 70 و 100 کلوین. 81

شکل 4- 14- نمودار G برحسب λ در واکنش جانشینی یک مولکول مهمان هیدروژن سولفید به جای یک مولکول متان در قفس کوچک هیدرات گازی sI در دمای 50 کلوین. 82

شکل 4- 15- نمودار G برحسب λ در واکنش جانشینی دو مولکول مهمان هیدروژن سولفید به جای دو مولکول متان در قفس کوچک هیدرات گازی sI در دمای 50 کلوین. 83

شکل 4- 16- نمودار توزیع اتم ها در اطراف یک اتم. 84

شکل 4- 17- نمودار RDF برحسب r برای یک مایع. 84

شکل 4- 18- RDF برای اتم کربن متان در قفس بزرگ (Cl)  و اتم کربن متان در قفس کوچک (Cs) با اتم اکسیژن آب (OW) در دمای K50 با مدل TIP4P. 86

 

شکل 4- 19- RDF برای اتم کربن متان در قفس بزرگ (Cl)  و اتم کربن متان در قفس کوچک (Cs) با اتم اکسیژن آب (OW) در دمای K275 با مدل TIP4P. 86

شکل 4- 20- RDF برای اتم کربن متان در قفس بزرگ (Cl)  و اتم کربن متان در قفس کوچک (Cs) با اتم اکسیژن آب (OW) با مدل SPC/E آب در دمای K50 با مدل SPC/E. 87

شکل 4- 21- RDF برای اتم کربن متان در قفس بزرگ (Cl)  و اتم کربن متان در قفس کوچک (Cs) با اتم اکسیژن آب (OW) با مدل SPC/E آب در دمای K275 با مدل SPC/E. 87

شکل 4- 22- RDF برای اتم گوگرد هیدروژن سولفید در قفس بزرگ (Sl)  و اتم گوگرد هیدروژن سولفید در قفس کوچک (Ss) با اتم اکسیژن آب (Ow) در دمای K 50 با مدل TIP4P. 88

شکل 4- 23-RDF برای اتم گوگرد هیدروژن سولفید در قفس بزرگ (Sl)  و اتم گوگرد هیدروژن سولفید در قفس کوچک (Ss) با اتم اکسیژن آب (Ow) در دمای K100 با مدل TIP4P. 89

شکل 4- 24-   RDFاتم گوگرد مولکول هیدروژن سولفید در قفس بزرگ (Sl) هیدرات گازی sI  و اتم کربن مولکول متان در قفس کوچک (Cs) با اتم اکسیژن آب (OW) در دمای 50 کلوین. 90

شکل 4- 25-  RDF اتم گوگرد مولکول هیدروژن سولفید در قفس بزرگ (Sl) هیدرات گازی sI  و اتم کربن مولکول متان در قفس کوچک (Cs) با اتم اکسیژن آب (OW) در دمای 100 کلوین. 90

شکل 4- 26- RDF اتم گوگرد مولکول هیدروژن سولفید در قفس­ کوچک (Ss) هیدرات گازی sI و اتم کربن مولکول متان در قفس­ بزرگ (Cl) با اتم اکسیژن آب (OW) در دمای 50 کلوین. 91

شکل 4- 27- RDF اتم گوگرد مولکول هیدروژن سولفید در قفس­ کوچک (Ss) هیدرات گازی sI و اتم کربن مولکول متان در قفس­ بزرگ (Cl) با اتم اکسیژن آب (OW) در دمای 125 کلوین. 91

شکل 4- 28- نمودار حجم جعبه شبیه سازی بر حسب دما برای هیدرات گازی sI متان با مدل آب SPC/E  93

شکل 4- 29- نمودار حجم جعبه شبیه سازی بر حسب دما برای هیدرات گازی sI متان با مدل آب TIP4P  93

شکل 4- 30- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات گازی sI هیدروژن سولفید  94

شکل 4- 31- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات                 [6L-CH4,2S-H2S] 94

شکل 4- 32- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات                 [6L-H2S,2S-CH4] 95

شکل 4- 33- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات                 [1L-H2S,5L-CH4,2S-H2S] 95

شکل 4- 34- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات                   [2L-H2S,4L-CH4,2S-H2S] 96

شکل 4- 35- نمودار حجم جعبه شبیه­سازی بر حسب دما برای سامانه هیدرات                  [3L-H2S,3L-CH4,2S-H2S] 96

شکل 4- 36- نمودار حجم جعبه شبیه سازی برحسب دما برای سامانه هیدرات                     [4L-H2S,2L-CH4,2S-H2S] 97

شکل 4- 37- محاسبه وابستگی دمایی بردار شبکه برای هیدرات گازی sI متان با مدل SPC/E آب در فشار 1 بار 98

شکل 4- 38- محاسبه وابستگی دمایی بردار شبکه برای هیدرات گازی sI ، با مدل TIP4P آب در فشار 1 بار 99

شکل 4- 39- محاسبه وابستگی دمایی بردار شبکه برای هیدرات گازی دوتایی sI که در هر قفس بزرگ یک مولکول هیدروژن سولفید و در هر قفس کوچک مولکول متان وجود دارد با مدل آب TIP4P در فشار 1 بار 99

شکل 4- 40- محاسبه وابستگی دمایی بردار شبکه برای هیدرات گازی sI که در هر قفس کوچک هیدروژن سولفید و در هر قفس بزرگ متان وجود دارد با مدل TIP4P آب در فشار 1 بار 100

شکل 4- 41- پارامتر شبکه برای دماهای مختلف هیدرات گازی sI، که در هر قفس کوچک یک مولکول هیدروژن سولفید و در هر قفس بزرگ مولکول متان وجود دارد براساس معادله (4-21) 101

شکل 4- 42- پارامتر شبکه برای دماهای مختلف برای هیدرات گازی sI که دریکی از قفس­های بزرگ یک مولکول هیدروژن سولفید ودر هر قفس کوچک متان  وجود دارد براساس معادله      (4-20) 102

شکل 4- 43- پارامتر شبکه برای دماهای مختلف برای هیدرات گازی sI متان با مدل SPC/Eآب   103

شکل 4- 44- پارامتر شبکه برای دماهای مختلف برای هیدارت گازی sI متان با مدل TIP4Pآب.. 104

شکل 4- 45- نمودار فشاربرحسب حجم سلول واحد برای هیدرات گازی sI متان در دمای                          K 200  105

شکل 4- 46- نمودار فشار برحسب حجم سلول واحد برای هیدرات گازی sI هیدروژن سولفید در دمای K 100  106

 

 فهرست جداول

عنوان                                                                                                             صفحه

جدول (3- 1) تفاوت­های انرژی آزاد محاسبه شده. 45

جدول (3- 2) نتایج محاسبات برای هشت لیگاند با مقادیر تجربی و همچنین با نتایج محاسبات FEPMD گسترده توسط پاند. 49

جدول (3- 3) انرژی آزاد اتصال برای کمپلکس های گالکتین-1/دیساکارید مختلف… 53

جدول (4- 1) انرژی آزاد گیبس جانشینی برای هر مهمان بر حسب kJ/mol در هیدارت گازی sI در دمای200  273 کلوین. 61

جدول(4- 2) مقدارهای ??? ∆  بر حسب برای جانشینی همه مهمان­ها در همه­ی قفس­های هیدرات گازی sI 61

جدول (4- 3) داده های انتگرال گیری ترمودینامیکی برای مدل SPC/E آب در دمایK  270 و فشار MPa 5  65

جدول (4- 4) داده های انتگرال گیری ترمودینامیکی برای مدل TIP5P آب در دمای K  270 و فشار MPa 5  66

جدول (4- 5)مشخصات و پارامترهای مدل­هایSPC/E  و TIP4P. 69

جدول (4- 6) پارامترهای لناردجونز و بارهای اتمی جزئی برای مولکول سولفیدهیدروژن. 73

 

پایان­نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc.”

(مهندسی شیمی – ترمودینامیک و سینتیک)

 

عنوان:

مدل سازی توزیع حباب ها در سیستم بستر شناور گاز- مایع  به روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)

 

استاد راهنما:

جناب آقای دکتر ایرج ناصر

 

استاد مشاور:

جناب آقای دکتر مهدی رفیع زاده

 

تابستان 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

سپاسگذاری.. د
فهرست مطالب.. ‌ه
فهرست شکلها ‌ط
فهرست جداول. ‌ك
فهرست نمودارها ‌ك
علایم و اختصارات.. ‌م
چکیده 1
فصل 1 کلیات.. 3
1.1.مقدمه. 4
1.2.تحلیل رفتار سیالات.. 5
1.3.پیش زمینه پیدایش CFD.. 6
1.4. مقایسه روش های حل معادلات مکانیک سیالات.. 6
1.5. دینامیک سیالات محاسباتی.. 7
1.5.1. مراحل کاری CFD به طور کلی.. 8
1.5.2. مراحل کاری یک برنامه CFD در یک نگاه 9
1.5.3. یک برنامه  CFD  چگونه کار می کند؟ 10
1.5.4. نرم افزارهای CFD.. 16
1.6. جریان های فازی.. 16
1.6.1. رژیم های چندفازی.. 17
1.6.2. مثال هایی از سیستم های چندفازی.. 19
1.6.3. انتخاب یک مدل چند فازی.. 20
1.6.4. مقایسه مدل ها 22
فصل 2 مقدمه. 25
2.1.دورنما 25
2.2.انگیزه و هدف.. 28
2.3.حیطه و طرح کلی پایان نامه. 29
فصل 3 مروری بر تحقیقات.. 32
3.1. الگوهای جریان دو فازی گاز – مایع و نقشه رژیم در لوله های افقی و عمودی.. 32
3.1.1. الگوهای جریان و نقشه رژیم در جریان لوله عمودی.. 32
3.1.2. الگوی جریانی و نقشه رژیم در جریان لوله افقی.. 35
3.2. مشخصات جریان حبابی همدما در ستون حباب.. 39
3.3. مدلسازی موازنه جمعیتی برای جریان حبابی همدما 41
3.4. مکانیزم های برخورد حباب.. 47
فصل 4 فرمولاسیون عددی و مدل موازنه جمعیتی.. 50
4.1. مدل موازنه جمعیتی.. 50
4.1.1. معادله موازنه جمعیتی.. 50
4.1.2. مکانیزم های برخورد حباب.. 51
4.1.3. روشهای مدل موازنه جمعیتی.. 58
4.2. انتقال مومنتوم بین فازی.. 62
4.2.1. نیروی دراگ.. 63
4.2.2. نیروی برآ 63
4.2.3. نیروی لیزاننده دیواره 64
4.2.4. نیروی جرم مجازی.. 65
4.2.5. نیروی پراکندگی آشفته. 65
4.3. مدلسازی آشفته برای مدل دو سیالی.. 66
4.4. مدل دو سیالی و جمله بسته. 69
فصل 5 بررسی عددی تاثیر نیروهای بین سطحی روی جریان حبابی.. 71
5.1. مقدمه. 71
5.2. مدل ریاضی.. 74
5.2.1. انتقال مومنتوم بین سطحی به دلیل کشش… 74
5.2.2. مدل عدد چگالی متوسط حباب(ABND) 77
5.2.3. هسته های شکست و پیوستگی.. 77
5.3. جزئیات عددی و تجربی.. 79
5.4. نتایج و بحث.. 81
5.4.1. توزیع کسر خالی.. 81
5.4.2. قطر متوسط حباب.. 83
5.4.3. سرعت گاز متوسط زمانی.. 86
5.5. نتیجه گیری.. 88
فصل 6 مدلسازی جریان حبابی گاز – مایع افقی با استفاده از روش موازنه جمعیتی.. 91
6.1.مقدمه. 91
6.2.جزئیات عددی.. 93
6.3.نتایج و بحث.. 96
6.3.1.کسر خالی متوسط زمانی گاز 96
6.3.2.غلظت ناحیه بین سطحی متوسط زمانی(IAC) 98
6.3.3.سرعت متوسط زمانی گاز 99
6.4.نتیجه گیری.. 99
فصل 7 مدلسازی جریان حبابی عمودی گاز – مایع با استفاده از روش ربع مستقیم گشتاورها(DQMOM)) 102
7.1. مقدمه و فرمولاسیون ریاضی.. 102
7.2. مدلهای ریاضی.. 105
7.2.1. مدلهای DQMOM.. 105
7.2.2. جملات چشمه ای مدلهای DQMOM.. 107
7.3. توصیف تنظیمات آزمایش… 108
7.3.1. توصیف تنظیمات آزمایش های MTLOOP و TOPFLOW… 109
7.3.2. رشد اندازه مختلف حباب ایجاد شده با روشهای تزریق مختلف.. 110
7.4. جزئیات عددی.. 111
7.5. بحث.. 112
7.5.1. توزیع کسر خالی حباب.. 113
7.5.2. توزیع اندازه حباب.. 116
7.6. نتیجه گیری.. 118
فصل 8 نتیجه گیری.. 120
8.1. بررسی عددی تاثیر نیروی بین سطحی روی جریان حبابی.. 120
8.2. مدلسازی جریان افقی گاز – مایع با استفاده از ABND براساس روش موازنه جمعیتی.. 121
8.3. مدلسازی جریان حبابی گاز – مایع عمودی با استفاده از روش ربع مستقیم گشتاورها(DQMOM)) 122
8.4. توصیه های توسعه CFD و تحقیقات آینده در جریان دو فازی.. 122…
فهرست شکلها
شکل 1-1. فرم گسسته شده معادلات پایستگی.. 13
شکل 2-1. رژیم های جریان چندفازی. 18
شکل 1-3. الگوهای جریان جریان دو فازی هوا-آب در لوله عمودی.. 33
شکل 2-3. نقشه رژیم جریان برای جریان دو فازی هوا-آب در لوله عمودی ارائه شده توسط میشما و ایشی(1984) 41
شکل 3-3. الگوهای جریان دوفازی ها-آب در لوله افقی.. 36
شکل 4-3. نقشه رژیم جریانی دو فازی هوا-آب در لوله افقی ارائه شده توسط تایتل و دوکلر(1976). 38

این مطلب را هم بخوانید :

شکل 5-3. مشخصات جریان حبابی در جریان حبابی همدما 40
شکل 6-3. نمونه ای از مختصات داخلی و خارجی موازنه جمعیتی برای جریانهای گاز – مایع. 43
شکل 7-3. بیان گرافیکی روشهای کلاس (CM) 45
شکل 8-3.  بیان گرافیکی روش ربعی گشتاورها(QMOM). 46
شکل 9-3. بیان شماتیک مکانیزم های پیوستگی و شکستگی حباب ها 48
شکل 1-5. خط جریانی سرعت مایع اطراف حباب منفرد و تعداد حباب ها 72
شکل 2-5. جزئیات هندسی آزمایش هیبیکی و همکاران(2001) 78
شکل 3-5. نقشه رژیم جریانی و انتقال شرایط جریانی مطالعه شده در کار حاضر(چنگ و همکاران 2007). 79
شکل 4-5. توزیع مش مدل محاسباتی:آزمایش هیبیکی و همکاران(2001) 81
شکل 5-5. توزیع کسر خالی پیش بینی شعاعی و داده های تجربی هیبیکی و همکاران(2001) 82
شکل 6-5. توزیع قطر متوسط حباب پیش بینی شده و داده های تجربی هیبیکی و همکاران(2001) 85
شکل 7-5. پروفایل سرعت شعاعی گاز پیش بینی شده و داده های تجربی هیبیکی و همکاران(2001) 87
شکل 8-5. درصد خطای سرعت گاز متوسط زمانی در مقایسه با داده های تجربی هیبیکی و همکاران(2001). 89
شکل 1-6. حرکت های حباب شماتیک ساده در جریان لوله افقی : ترکیب نیروهای محوری و شعاعی ، حباب ها نه عمودی حرکت می کنند و نه افقی.. 92
شکل 2-6(a) جزئیات هندسی آزمایش کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994) و (b) توزیع مش مدل محاسباتی سطح مقطع   94
شکل 3-6. توزیع کسرخالی گاز متوسط زمانی پیش بینی شده و داده های آزمایشگاهی کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994) در محل L/D=253. 95
شکل 4-6. توزیع غلظت بین سطحی متوسط زمانی پیش بینی شده و داده های تجربی کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994) در محل L/D=253. 97
شکل 5-6. توزیع سرعت گاز پیش بینی شده و داده های تجربی کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994) در محل L/D=253. 98
شکل 1-7. بیان شماتیک آزمایش MTLOOP. 108
شکل 2-7. بیان شماتیک آزمایش TOPFLOW… 110
شکل 3-7. توزیع کسر خالی شعاعی پیش بینی شده و داده های آزمایشگاهی MTLOOP که توسط لوکاس و همکاران(2005) اندازه گیری شده است. 113
شکل 4-7. توزیع کسر خالی شعاعی پیش بینی شده و داده های تجربی TOPFLOW که توسط پراسر و همکاران(2007) اندازه گیری شده است. 114
شکل 5-7. توزیع اندازه حباب پیش بینی شده و داده های تجربی MTLOOP که توسط لوکاس و همکاران(2005) اندازه گیری شده است. 115
شکل 6-7. توزیع اندازه حباب پیش بینی شده و داده های تجربی TOPFLOW که توسط پراسر و همکاران(2007) اندازه گیری شده است. 117
فهرست جداول
جدول 1-1.مقایسه های روش های حل معادلات مکانیک سیالات.. 6
جدول 2-1.مثال های جریان های سیستم های چندفازی.. 19
جدول 1-4. سناریوهای جریان و جزئیات شرایط مرزی ورودی در شبیه سازی آزمایش هیبیکی و همکاران(2001) 80
جدول 1-5. سناریوهای جریان و جزئیات شرایط مرزی ورودی در شبیه سازی آزمایش کوکاموستافوگالاری و هونگ(1994) 93
جدول 1-6. اطلاعات شرایط جریان ورودی اعمال شده در شبیه سازی آزمایش MTLOOP و TOPFLOW… 112
فهرست نمودارها
نمودار 1-1.مراحل کاری یک برنامه CFD دریک نگاه 9
نمودار 2-1.روش Segregated. 14
نمودار 3-1. روش Coupled. 15
فهرست علایم و اختصارات

A	مساحت سطح مقطع
	ضرایب دراگ
	ضریب بلند کردن
	ضریب پراکندگی آشفتگی
	ضریب برخورد تصادفی
	ضرایب تاثیر آشفتگی
	بیشینه اندازه افقی حباب ها
	قطر متوسط حباب
,	نرخ اتلاف جرم به دلیل شکست و پیوستن
	عدد ایتوس
	عدد اصلاح شده ایتوس
	توزیع اندازه حباب
	نیروی کلی بین سطحی
	نیروی دراگ
	نیروی بلند کردن
	نیروی لیزاندن دیواره
	نیروی پراکندگی آشفتگی
	شتاب گرانشی
	ضخامت فیلم
	گشتاور
	عدد چگالی متوسط فاز گاز
,	نرخ تولید جرم به دلیل شکستگی و پیوستن

نمادهای یونانی

	کسر حجمی
	بیشینه مجاز کسر حجمی
ε	اتلاف انرژی جنبشی آشفتگی
ρ	چگالی
σ	تنش سطحی
ΦnRC	نرخ تغییر عدد چگالی حباب به دلیل برخورد تصادفی
ΦnTI	نرخ تغییر عدد چگالی به دلیل تاثیر گردابه های آشفتگی
ζ	طول
ω	وزن
ψ	فرکانس پیوستن
Ω	فرکانس شکست
η	فرکانس برخورد
ι	بازده پیوستن
ζ	پارامتر اساسی در PBE
ν	ویسکوزیته

زیرنویس ها

g	فاز گاز
gl	انتقال کمیت ها از فاز مایع به فاز گاز
i	کلاس اندازه حباب
j	گروه سرعت
l	مایع
lg	انتقال کمیت ها از فاز گاز به فاز مایع
g	فاز گاز
gl	انتقال کمیت ها از فاز مایع به فاز گاز
i	کلاس اندازه حباب
j	گروه سرعت
l	مایع

 

چکیده:

کلمات کلیدی : دینامیک سیالات محاسباتی ، حباب ، پیوستگی و شکست ، راکتورهای بستر شناور ، سیستم های چند فازی ،جریان های عمودی وافقی ، PBM ،DQMOM ،
اخیراً راکتورهای بستر شناور گاز ـ مایع به خاطر کاربرد گسترده آنها در فرآیندهای شیمیایی، پتروشیمی و فرآیندهای زیست محیطی ، مورد توجه قرار گرفته اند .از طرفی با پیشرفت های صورت گرفته، در روش‌های محاسبــاتی و علم کامپیوتر، دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)  به یک روش جدید  دارای پتانسیل بسیار زیادی برای درک اثر دینامیک سیالات در عملکرد راکتورهای شیمیایی تبدیل شده است . در این نوع راکتورها نقش حباب ها در فرآیندهای چند فازی ناشی از شکست و برخورد حباب ها ، اهمیت این مطالعه را توجیه می کند .
در میان مدلهای مختلف عددی برای جریان دو فازی، مدل دو سیالی که دو فاز را با استفاده از دو مجموعه از معادلات انتقالی ردیابی می کند،  از مناسب ترین مدلها هستند. در مطالعه حاضر، توانایی مدل دو

 

 

 

گروه آموزشی مهندسی شیمی- صنایع غذایی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد « M. Sc »

 

عنوان:

مدل سازی ایزوترم جذب رطوبت تعادلی و بررسی خواص اساسی فیلمهای ترکیبی SSPS و ژلاتین ساپورت شده با نانو دی اکسید تیتانیوم

 

استاد راهنما:

دکتر عبدالرضا محمدی نافچی

 

بهار 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب

سپاس گزاری.. ‌ب
فهرست مطالب… ‌ج
فهرست جداول. ‌ح
فهرست شکل ها ‌ط
چکیده ‌ی
فصل اول: مقدمه. 1
1-1- مقدمه. 2
1-2- پیش زمینه. 4
1-3- بیان مسأله. 7
1-4- اهمیت موضوع. 9
1-5- اهداف تحقیق.. 15
1-5-1- هدف اصلی.. 15
1-5-2- اهداف اختصاصی.. 15
1-6- پرسشهای تحقیق.. 15

 

این مطلب را هم بخوانید :

1-7- محدودیتهای تحقیق.. 16
1-8- نمودار روش تحقیق.. 16
فصل دوم: مروری بر پژوهشهای پیشین.. 18
2-1- ترکیبات اساسی بایوکامپوزیت… 19
2-1-1- نشاسته. 19
2-1-2- سویا 23
2-1-3- پلی ساکارید محلول در سویا 25
2-1-3-1 ساختار SSPS.. 26
2-2- ژلاتین و ژلاتین گاوی.. 26
2-2-1- تولید ژلاتین.. 29
2-2-2- کاربردهای ژلاتین.. 32

 

2-3- نانوتکنولوژی.. 33
2-4- بایو نانو تکنولوژی.. 34
2-3- کامپوزیت و نانو کامپوزیت… 35
2-5- بایو نانو کامپوزیت… 36
2-6- فلز تیتانیوم. 37
2-6-1- نانو دی اکسید تیتانیوم. 37
2-7- بسته بندی فعال. 38
2-8- بسته بندی نانو. 39
2-9- فیلمهای خوراکی.. 40
2-10- پلاستی سایزرها 43
2-10-1- مقایسه پلاستی سایزرهای مورد استفاده 44
2-11- روشهای تولید فیلم. 45
2-12- ارزیابی خواص فیلم های خوراکی.. 46
2-12-1- خواص ممانعتی.. 46
2-12-2- خواص مکانیکی.. 50
2-12-3- خواص ضد میکروبی.. 54
2-13- نمودارهای جذب تعادلی.. 58
2-14- جمع بندی.. 65
فصل سوم: مواد و روش ها 66
3-1- مواد. 67
3-2- روش تهیه فیلمهای نانوبایوکامپوزیتی.. 68
3-3 – ضخامت فیلم. 69
3-4- آنالیز فیلم. 69
3-4-1- ویژگی های مکانیکی.. 70
3-4-2- رنگ سنجی.. 72
3-4-3- نفوذ پذیری بخار آب (WVP) 72
3-4-4- حلالیت فیلم ها 73
3-4-5- ظرفیت جذب آب (WAC) 74
3-4-6- ایزوترم جذب… 74
3-4-7- اشعه مرئی – UV… 75
3-4-8- نفوذ پذیری به اکسیژن. 75
3-4-9- آزمون میکروبی.. 76
3-5- تجزیه و تحلیل آماری.. 78
فصل چهارم: نتایج و بحث… 79
4-1- ارزیابی کیفی فیلمها 80
4-1-1- بررسی اثر نانو ذرات بر خواص ظاهری فیلمهای ترکیبی.. 80
4-1-2- بررسی اثر نانوذرات بر ضخامت فیلمهای ترکیبی نشاسته ssps / ژلاتین گاوی.. 81
4-2- بررسی اثر نانو ذرات بر خواص فیزیکوشیمیایی فیلمهای ترکیبی  نشاسته ssps / ژلاتین گاوی.. 81
4-2-1- محتوای رطوبت، حلالیت در آب و قابلیت جذب آب… 81
4-3- بررسی اثر نانو ذرات بر خواص ممانعتی فیلمهای ترکیبی نشاسته ssps / ژلاتین.. 84
4-4- بررسی اثر نانو دی اکسید تیتانیوم بر خواص مکانیکی فیلمهای ترکیبی.. 88
4-5- جستجوی پیوند با روش FTIR.. 90
4-6- میزان جذب و عبور نور فرابنفش از فیلمهای ترکیبی نشاسته ssps/ ژلاتین حاوی نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم (uv-vis) 91
4-7- مشخصههای رنگی.. 93
4-8- نمودارهای جذب تعادلی.. 94
4-8-1- مدل جذب تعادلی چند جمله ای.. 94
4-8-2- مدل جذب تعادلی GAB.. 95
4-9- بررسی اثر نانو ذرات بر خواص ضد میکروبی فیلمهای ترکیبی.. 97
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات… 102
5-1- نتیجه گیری.. 103
5-2- پیشنهادات… 104
منابع و مراجع. 105
English Abstarct 114
فهرست جداول
جدول 4- 1: میانگین ضخامت فیلمهای شاهد و نمونه های حاوی ذرات نانو دی اکسید تیتانیوم. 81
جدول 4- 2: محتوای رطوبت، درصد حلالیت و قابلیت جذب فیلمهای ترکیبی نشاسته ssps / ژلاتین حاوی نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم. 84
جدول 4- 3: اثر نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم بر نفوذ پذیری فیلمهای ترکیبی نسبت به اکسیژن و بخار آب… 87
جدول 4- 4: اثر نانوذرات دی اکسید تیتانیوم بر خواص مکانیکی فیلمهای ترکیبی نشاسته ssps / ژلاتین گاوی. 90
جدول 4- 5: پارامترهای رنگ سنجی از فیلم ترکیبی با غلظت های مختلف نانو دی اکسید تیتانیوم. 94
جدول 4- 6: پارامترهای معادله GAB برای فیلمهای ترکیبی حاوی نانو دی اکسید تیتانیوم در دمای 25 درجه سانتیگراد. 97
فهرست شکل ها
شکل 1-1: نمودار فرآیند پژوهشی.. 17
شکل 2- 1: ساختمان شیمیایی نشاسته. 20
شکل 4- 1: رنگ فیلمهای  ترکیبی نشاسته ssps / ژلاتین با غلظت های متفاوت ( %0، 1%، 3%، 5%) نانو دی اکسید تیتانیوم. 80
شکل 4- 2: طیف FTIR فیلمهای ترکیبی نشاسته ssps / ژلاتینی حاوی %0، 3% و 5% نانو دی اکسید تیتانیوم 91
شکل 4- 3: میزان جذب نور فیلمهای بایونانوکامپوزیتی  در طول موجهای 200 تا 800. 92
شکل 4- 4: درصد عبور نور فیلمهای بایو نانو کامپوزیتی در طول موجهای 200 تا 800. 93
شکل 4- 5: مدل جذب تعادلی چند جمله ای (مرتبه 3) برای فیلم ترکیبی در مقایسه با بایونانوکامپوزیت ترکیبی محتوی 5% نانو دی اکسید تیتانیوم. 95
شکل 4- 6: هاله عدم رشد در فیلم ترکیبی با 5% نانو دی اکسید تیتانیوم. 98
شکل 4- 7: اثر نانو اکسید روی بر ناحیه بازدارندگی فیلمهای ترکیبی علیه اشرشیا کلی. 100
شکل 4- 8: اثر نانومیله های اکسید روی بر ناحیه بازدارندگی فیلمهای ترکیبی علیه استافیلوکوکوس. 101

چکیده

هدف از این پژوهش بررسی اثر نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم بر خواص فیزیکوشیمیایی، مکانیکی، نمودار جذب تعادلی، عبور دهی نسبت به بخار آب و اکسیژن روی فیلم­های ترکیبی نشاسته ssps/ ژلاتین گاوی می باشد. در این کار پژوهشی فیلم­های ترکیبی نشاسته ssps/ ژلاتین گاوی (10% ژلاتین و 90% نشاسته ssps)، به همراه نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم در غلظت­های 0، 1، 2، 3، و 5 % با استفاده از روش کاستینگ انجام شد. کلیه خواص فیزیکوشیمیایی، مکانیکی و عبوردهی نسبت به بخار آب و اکسیژن به روش استاندارد ملی امریکا انجام شد. مدل های جذب تعادلی چند جمله ای(مرتبه سوم) و مدل 3 پارامتری جذب تعادلی GAB  در داده های تجربی براز شد. آزمون مکانیکی نانوبایوکامپوزیت فیلم­های ترکیبی نشاسته ssps/ ژلاتین گاوی / نانودی اکسید تیتانیوم ، افزایش استحکام کششی و مدول یانگ، کاهش درصد کشیدگی را به دلیل افزایش غلظت نانو ذرات نشان داد. خواص فیزیکوشیمیایی از قبیل میزان جذب آب، حلالیت در آب، نفوذ پذیری به بخار آب و اکسیژن، با افزایش میزان نانو ذرات کاهش معنی داری (p<0/05) را نشان داد. همچنین میزان جذب کامل  اشعه UV در غلظت 5% درصد مشاهده شد. نمودارهای FTIR نشان داد که تعاملات انجام شده تماماً فیزیکی بوده و واکنش­های شیمیایی رخ نداده است. با بررسی ایزوترم­های جذب نانو بایو کامپوزیت حاصل، مشخص شد که مقدار رطوبت آب تک لایه کاهش یافته و نمودار به سمت پایین جابجا شده است و این حاکی از آن است که ذرات نانو دی اکسید تیتانیوم، توانایی آبگریز کردن فیلم را دارند. به طور کلی با توجه به بررسی­های انجام شده، فیلم­های خوراکی حاوی نانو دی اکسید تیتانیوم قابلیت به کارگیری  به عنوان بسته­بندی فعال در صنایع غذایی را دارا می­باشند.
واژگان کلیدی : فیلم خوراکی، نشاسته ssps، ژلاتین گاوی، نانو دی اکسید تیتانیوم، خواص مکانیکی، خواص ممانعتی، خواص فیزیکوشیمیایی.

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه

واژه یا اصطلاح بسته­بندی به هر ماده، ظرف یا پوششی که جهت جلوگیری از آلودگی طی حمل­و­نقل و جابه­جایی، حفاظت، بهبود و بازار­یابی یا فروش هر فرآورده یا ماده به­کار می­رود اتلاق می­گردد ( لوپز- روبیو[1] و همکاران، 2004). هدف از بسته­بندی مواد غذایی حفاظت از ایمنی و کیفیت ماده­ی غذایی حاوی آن از زمان تولید تا زمان مصرف توسط مصرف­کننده می­باشد. یکی دیگر از کاربرد­های مهم بسته­بندی ماده­ی غذایی حفاظت از محصول در برابر آسیب­های فیزیکی شیمیایی و بیولوژیکی می­باشد. شناخته­ترین مواد بسته­بندی دارای خصوصیات ذکر شده مواد بسته­بندی پلاستیکی می­باشند ( دالین و شورتن[2]، 1998).
توسعه­ی روز افزون صنایع پتروشیمی و پیشرفت سریع تکنولوژی­های مربوط به تولید پلاستیک­های صنعتی موجب کاربرد هر چه بیشتر پلیمرهای نفتی در صنایع بسته­بندی و به خصوص بسته­بندی­های ویژه­ی مواد غذایی شده است. دلیل این امر دسترسی آسان به ماده­ی اولیه، هزینه­ی نسبتا پایین، ویژگی­های مکانیکی مطلوب و بازدارندگی خوب می­باشد ( سیراکسا[3] و همکاران، 2008). با این حال بازیافت نشدن مواد بسته­بندی پلاستیکی یکی از محدودیت­های جدی این مواد می­باشد. اغلب پلیمرهای سنتزی با منشاء نفتی به تخریب بیولوژیکی مقاوم می­باشند و پیوندهای کربنی آن­ها توسط آنزیم­های میکروارگانیسم­ها شکسته نمی­شوند و زیست تخریب­پذیر[4] نمی­باشند. دومین مشکل مربوط به محدودیت مکانی به­ویژه در مکان­های پر جمعیت است، یافتن مکان مناسب برای دفع زباله­های تولیدی و صنعتی در آینده مشکل­تر از پیش می­باشد ( هاگارد[5] و همکاران، 2001). مشکل دیگر بسته بندی­های پلاستیکی مهاجرت ترکیبات استفاده شده در فرمولاسیون مانند نرم کننده­ها[6]، مونومرها و باقیمانده حلال به داخل ماده غذایی می­باشد که موجب کاهش ایمنی و ایجاد بد طعمی ­در ماده غذایی می­گردد ( مانهیم و پاسی[7]، 1990). فاکتور بعدی که باید مورد توجه قرار گیرد وابستگی مواد بسته­بندی پلاستیکی به مواد نفتی می­باشد. با توجه به محدودیت و