—d1990
درباره سایت
آخرین مطالب
- کتابفروشی ایرانی در بلژیک
- جاذبه آبشار ویسادار
- خرید نهال گردو یک انتخاب پر سود در کشاورزی
- معرفی انواع چای ساز و نکات مهم برای خرید چای ساز بوش
- قیمت لباسشویی بوش در نمایندگی بوش ۲۰ بخر
- آشنایی با کابل شبکه
- طراحی سایت شرکتی
- طراحی جواهرات یکی از شغل های پولساز در دنیا
- طراحی و ساخت انگشتر طلای مردانه
- مقایسه انواع غذاساز بوش برای آشپزی حرفه ای در خانه
امکانات وب
در جذب فیزیکی تمام سطوح جامد در عمل جذب دخالت می کنند.
گرمای جذب فیزیکی کمتر از گرمای جذب شیمیایی است.
جذب فیزیکی می تواند در دماهای پایین صورت گیرد زیرا انرژی فعالسازی جذب فیزیکی کم می باشد.
جذب فیزیکی به نوع جاذب و نوع جذب شونده بستگی ندارد و در هر حالتی ممکن است انفاق بیافتد ولی جذب شیمیایی هم به نوع ماده و هم به نوع جاذب بستگی دارد. در جذب فیزیکی همیشه می توان جاذب را بازیابی کرده و دوباره استفاده کرد.
معیار انتخاب فرآیندهای جذب سطحیمقایسه بین فرآیندهای مختلف جداسازی در جهت انتخاب مناسب ترین فرآیند، از اهمیت خاصی برخوردار است. سهولت جداسازی توسط تقطیر بوسیله ضریب فراریت α مشخص می شود که برای یک مخلوط دوتایی ایده آل نسبت بین فشار بخارهای دو جزء می باشد. علی رغم فواید تقطیر، اساساً این فرآیند انرژی زیادی مصرف می کند.
مواردی که فرآیند جذب نسبت به تقطیر دارای ارجحیت است مشتمل بر موارد زیر می باشد:
1- جداسازی ترکیباتی که ضریب فراریت اجزای کلیدی آنها در حدود 5/1 یا کمتر باشد. مانند جداسازی ایزومرهای مختلف یک ترکیب.
2- در صورتی که جریان خوراک ارزش کمی داشته باشد. در این موارد مقدار جزء غیرفرار بالا بوده و غلظت محصول موردنظر نسبتاً کم است، بنابراین جریان برگشتی از نسبت بالایی برخوردار است و در نتیجه نیاز به انرژی زیاد خواهد بود.
3- برای جداسازی دو گروه از اجزاء که محدودة جوش آنها دارای محدودة هم پوشانی باشد. در این موقع حتی اگر ضریب فراریت نیز بزرگ باشد به چندین ستون تقطیر نیاز داریم.
4- جداسازی در دمای پایین و فشار بالا که در عملیات تبدیل گاز به مایع مورد نیاز است.
5- موارد خاص جداسازی که در آنها هزینه فرآیند جذب به مراتب کمتر از هزینه فرآیند تقطیر خواهد بود.
پارامترهای مؤثر بر جذببر طبق تئوریهای موجود، ظرفیت جذب تعادلی به عوامل زیر بستگی دارد:
نوع جاذب
نوع جذب شونده
شرایط فرآیند
تأثیر نوع جاذبجاذبها مواد جامد خلل و فرج داری هستند که بدلیل خاصیت جذبی که روی سطح خود دارند اجازه می دهند مولکولهای برخی مواد روی آنها مجتمع شده و جذب گردند. این خلل و فرج به شکل ها و اندازه های متفاوتی بوده و به شدت در میزان جذب و نوع ماده ای که می تواند جذب کند تاثیر دارد.
نوع جاذب به دو صورت بر ظرفیت جذب مؤثر است:
1-حجم کل حفره جاذب
هرچه حجم حفره بیشتر باشد جذب شونده بیشتر جذب می شود و اگر جریان گاز (یا هوا) به طور کامل با جذب شونده اشباع باشد، ظرفیت جذب تعادلی ماکزیمم حاصل می شود.
2-توزیع اندازه حفره
مطابق تقسیم بندی IUPAC که بر اساس سایز حفره ها می باشد حفره ها را براساس قطر به سه گروه زیر تقسیم کرده اند:
– میکروپور: حفره های ریز با قطر کمتر از 2 نانو متر
– مزوپور: حفره های متوسط با قطر بین 2 تا 50 نانو متر
– ماکروپور: حفره های بزرگ با قطر بیشتر از 50 نانو متر
جذب واقعی تقریباً فقط در حفره های ریز اتفاق می افتد. حفره های متوسط وظیفه انتقال جذب شونده را از فاز گاز به حفره های ریز بر عهده داشته و حفره های بزرگ قابلیت دسترسی جاذب را تعیین می کنند. در غلظتهای پایین جذب شونده، جذب تقریباً فقط در کوچکترین حفره های ریز اتفاق می افتد که بالاترین انرژی جذب را دارا هستند.
جامدهای جاذب معمولا به شکل گرانول مصرف می شوند و قطر آنها از ۱۲میلی متر تا ۵۰ میکرومتر متغیر است. جاذب ها بر اساس کاربرد و موقعیت مصرف دارای ویژگی متفاوتی می باشند. مثلا اگر از آنها در یک بستر ثابت با جریان گاز یا مایع استفاده می شود، نباید اختلاف فشار زیادی ایجاد کنند و همچنین نباید توسط جریان سیال به خارج حمل شوند. آنها باید از مقاومت و سختی خوبی برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنین در اثر وزن خود در بستر خرد نشوند. در صورتی که بخواهیم آنها را از ظروف نگهداری به داخل و خارج انتقال دهیم باید به راحتی جریان پیدا کنند. این ویزگی به راحتی قابل شناسایی هستند.
جذب یک پدیده عمومی است و تمام جامدها مقداری از گازها و بخارات را جذب می کنند ولی در اهداف صنعتی تنها بعضی جامدات ظرفیت جذب لازم را دارند. در جامداتی که دارای خاصیت جذب بسیار ویژه ای هستند و به مقدار زیاد جذب انجام می دهند، طبیعت شیمیایی آنها با ویژگی جذب رابطه دارد ولی صرف شناسایی شیمیایی برای بیان مفید بودن آنها کافی نیست. وجود سطح زیاد در واحد جرم، برای جاذب های مفید ضروری است. در جذب گازی، سطح واقعی، سطح ذرات گرانول نیست بلکه سطح بزرگتری است که داخل سوراخها و شکافها را شامل می شود. سوراخها خیلی کوچک بوده و معمولا در حدود چند مولکول قطر دارند ولی تعداد زیاد آنها باعث تولید سطح بزرگتری برای جذب میشود. ویژگی دیگری وجود دارد که از اهمیت زیادی برخوردار می باشد ولی همه آنها شناخته شده نیستند و برای بررسی قابلیت جذب باید به مشاهده و تجربه اتکا کرد.
فشار بخار یک مایع یا گاز در حفره های موئینه با فشار بخار آن در شرایط عادی متفاوت است. اگر لوله موئینه داشته باشیم فشار بخار کمتر از فشار بخار در سطح آزاد است. به عبارت دیگر نقطه جوش آن در فشار ثابت بالاتر است. یعنی اینکه در لوله های موئینه بخار زودتر میعان می شود. هر چه سوراخهای یک جاذب ریزتر باشد فشار بخار در آن کمتر بوده و عمل میعان زودتر صورت می گیرد بنابراین در جاذبهای میکروپور و مزوپور علاوه بر اینکه روی سطح جامد عمل جذب صورت می گیرد، بدلیل وجود خلل و فرج ریزتر، کندانس شدن گاز نیز صورت می گیرد. هرچند در جاذبهای میکروپور عمل دفع نیز سخت صورت می گیرد.
تأثیر نوع جذب شوندهروشن است که جذب شونده باید به اندازه کافی کوچک باشد تا در حفره های جاذب جای گیرد و دانسیته نیز روی ماکزیمم جرم جذب شونده مؤثر است. دو پارامتر اول روی میزان جذب شده مؤثرند، در حالیکه نقطه جوش و ساختار جذب شونده روی توان جذب مؤثر هستند. اساساً یک جذب شونده با نقطه جوش بالاتر بیشتر از یک جذب شونده با نقطه جوش پائین تر جذب می شود. شکل جذب شونده نیز تأثیر زیادی دارد. مثلاً بنزن نسبت به هگزان بهتر به درون حفره ها نفوذ می کند.
اثر شرایط فرآیندشرایط موثر بر ظرفیت جذب تعادلی عبارتند از:
1-غلظت جذب شونده
2- دمای جذب
در غلظتهای پایین، جذب فقط در کوچکترین حفره های ریز اتفاق می افتد در حالیکه در غلظتهای بالا، حفره های بزرگتر نیز در جذب شرکت می کنند که در نتیجه ظرفیت جذب تعادلی بالاتر می رود.
دمای جذب روی مقدار انرژی جذب شونده موثراست. به عبارت دیگر دمای جذب بالاتر، معادل ظرفیت جذب پائین تری است. پارامترها و شرایط دیگر فرآیند روی ظرفیت جذب اثری نداشته و روی زمان مورد نیاز برای رسیدن به تعادل موثرند.
جاذب ها
جاذب ها دارای خاصیت جذب انتخابی هستند به این معنی که بسته به ساختمان و نوع جاذب میتوانند برخی از موادی را بیشتر از سایر مواد موجود در سامانه جذب کنند. به طور کلی برای هر فرایند جذب، انتخاب جاذب مهمترین قسمت طراحی می باشد در نتیجه باید مواردی نظیر ظرفیت، گزینش پذیری، قابلیت احیا، سینتیک، سازگاری، قیمت و … مورد توجه قرار گیرد که در اینجا به صورت مختصر شرح می دهیم:
ظرفیتظرفیت جذب مهمترین ویژگی هر جاذب است و برابر است با مقدار ماده ای که در واحد جرم (یا حجم)جاذب، جذب می شود. این خاصیت به غلظت فاز سیال، دما و دیگر شرایط، به ویژه شرایط اولیه جاذب، بستگی دارد. معمولاً اطلاعات مربوط به ظرفیت جذب، در دمای ثابت و غلظتهای مختلف ماده جذب شونده یا فشار جزئی بخار و یا گاز اندازه گیری می شود و داده های بدست آمده در یک منحنی بنام منحنی همدما رسم می شوند. ظرفیت جذب اصلی ترین فاکتور در تعیین قیمت جاذب می باشد زیرا این فاکتور مقدار جاذب مورد نیاز برای فرایند را مشخص کرده، و همچنین اندازه بستر جذب را تعیین می نماید.
گزینش پذیریاین فاکتور به ظرفیت جذب مرتبط است، ولی تعاریف مشخص دیگری برای این فاکتور نیز وجود دارد. ساده ترین تعریف برای گزینش پذیری عبارتست از نسبت ظرفیت جذب یک جزء به دیگر جزء در غلظت مشخص سیال. این نسبت معمولاً با کاهش غلظت و نزدیک شدن به صفر، به یک مقدار ثابت نزدیک می شود.
قابلیت احیاتمام فرایندهای جذب سیکلی، بر اساس خاصیت احیای جاذب استوار هستند و همین فاکتور سبب کارکرد یکنواخت جاذبها در فرایندهای سیکلی می شود. در حقیقت قابلیت احیا به این معناست که هر جزء جذب شونده فقط باید به شکل فیزیکی جذب جاذب شود و یا می توان گفت جذب آن بر روی جاذب ضعیف باشد. گرمای جذب، مقدار انرژی لازم برای احیای جاذب را تعیین می کند.
سینتیکسینتیک انتقال جرم یک واژه کلی است که با مقاومت انتقال جرم درون ذره ای ارتباط دارد. این فاکتور به علت کنترل زمان سیکل فرایندهای جذب با بستر ثابت، دارای اهمیت ویژه ای است.
سازگاریاین فاکتور، اتفاقات شیمیایی و فیزیکی مختلف را که سبب کاهش عمر مفید جاذب می شوند مانند رسوب بیولوژیکی و یا سائیدگی را پوشش می دهد. برای مثال یک جاذب نباید به شکل بازگشت ناپذیر با مواد جذب شونده واکنش دهد. همچنین شرایط عملیاتی مثل سرعت، دما، فشار و لرزش ها نباید سبب تجزیه ناخواسته ذرات جاذب شوند.
قیمتقیمت، ظریف ترین فاکتور برای انتخاب یک جاذب می باشد زیرا حتی برای یک جاذب مشخص، قیمت دارای تغییرات زیادی از یک کمپانی به کمپانی دیگر می باشد. به ندرت یک جاذب تمام شرایط لازم را داراست. برای اینکه یک جاذب به شرایط مورد نظر نزدیک شود، لازم است تا ویژگی آن بهبود یابد.
جاذب مورد استفاده در هر فرایند باید دارای قابلیت بالایی برای جداسازی جزء مورد نظر باشد، همچنین لازم است سرعت دفع و جذب جزء مورد نظر بالا باشد. مبنای علمی و اصلی برای انتخاب جاذب، هم دماهای تعادلی هستند. از این رو به همدماهای تعادلی همه عناصر و سازنده ها در فشار و دمای عملیاتی و در مخلوط گازی باید توجه کرد.
طول استفاده نشده از بستر (LUB)طول استفاده نشده از بستر توسط هم دمای تعادلی مشخص می شود و این طول معمولاً نیمی از منطقه انتقال جرم است. هر چه این طول کمتر باشد میزان بهره وری از جاذب و خلوص محصول بالا می رود. توزیع اندازه ذره نیز می تواند در LUB تأثیر داشته باشد ولی اهمیت آن به میزان اهمیت ایزوترم های تعادلی نمی رسد. علاوه بر اینها برای انتخاب جاذب به فاکتورهای دیگری نیز باید توجه کرد. مثلاً برای جریانهای گازی حاوی رطوبت، کربن فعال تنها جاذب تجاری مناسب است زیرا جاذبهای دیگر به یک مرحله خشک کردن مقدماتی نیاز دارند.
روشهای احیای جاذببسیاری از فرایند های تجاری برای خالص کردن و جداکردن گازها از دو یا چند بستر پرشده جاذب استفاده میکنند. ساده ترین ساختار، دو برج پرشده است که یکی به عنوان جذب کننده عمل میکند درحالی که دیگری، که توسط جریان گاز اشباع شده است، به عنوان یک احیاء کننده عمل میکند. پس از آن نقش دو بستر معکوس می شود و جذب کننده، احیاء کننده می شود در حالیکه بستری که به تازگی احیاء شده است، جذب کننده میشود. سپس چرخه در بازه زمانی، که از قبل مشخص شده است، تکرار می شود. بنابراین در حالی که هر یک از بسترها به صورت ناپیوسته عمل میکنند، جریان پیوسته خوراک و محصول به صورت پایا در سامانه وجود خواهد داشت. مدت زمان چرخه، در درجه اول بستگی به روش احیاء بستر بوسیله تغییر فشار یا تغییر دما دارد.
در بسیاری از کاربردها، احیاء و استفاده دوباره از جاذب از نظر اقتصادی ضروری است. همانگونه که قبلا بیان شد روش های عملی احیاء شامل یک یا ترکیبی از این موارد است:
1- تناوب دما (TSA)
2- تناوب فشار (PSA)
3- خارج کردن با گاز خنثی
4- جایگزینی با یک جزء قوی تر از نظر قدرت جذب سطحی
انتخاب روش نهایی احیاء بستگی به شرایط تکنیکی و محدودیتهای اقتصادی دارد.
تعادل: منحنی هم دمای جذبمنحنی هم دمای جذب، رابطه تعادلی بین غلظت در فاز سیال و غلظت در ذرات جاذب در دمای مشخص است. غلظت مایعات اغلب بر حسب واحد های جرم، مانند قسمت در میلیون است، در حالی که غلظت در گازها بر حسب جزء مولی بیان میشود. غلظت ماده جذب شده روی جامد به صورت جرم جذب شده به واحد جرم جاذب اولیه مشخص می شود. به منظور اینکه بتوانیم ظرفیت جذب دینامیکی یا عملی را تخمین بزنیم بایستی ابتدا اطلاعاتی را نسبت به تعادل جذب سطحی در حالت استاتیک داشته باشیم. سپس تحلیل سینتیکی بر اساس فرآیند های سرعت که بستگی به نوع فرآیند های تماس دارد انجام می شود.
برخی اشکال منحنی های هم دما به صورت نمودارهای حسابی شکل 1-1 نشان داده شده اند. منحنی هم دمای خطی از مبدا می گذرد و در آن، مقدار ماده جذب شده متناسب با غلظت آن در سیال است. منحنی هم دمایی که انحناء آن ها رو به بالاست، مطلوب خوانده می شود چرا که می توان بار نسبتا زیادی را از سیالی با غلظت کم به دست آورد. حالت حدی یک منحنی هم دمای بسیار مطلوب جذب، برگشت ناپذیر است که در آن مقدار ماده جذب شده تا غلظت های بسیار پایین مستقل از غلظت است. با افزایش دما مقدار ماده جذب شده در تمام سامانه ها کاهش می یابد، در نتیجه می توان با بالا بردن دما، ماده جذب شده را حتی از سامانه های برگشت ناپذیر هم جدا کرد. اما وقتی که جذب بسیار مطلوب یا برگشت ناپذیر است در مقایسه با منحنی های هم دمای خطی، واجذبی به دمای بسیار بیشتر نیاز دارد. منحنی هم دمایی که انحنای آن رو به پایین است نا مطلوب خوانده می شود، چرا که بار نسبتا کمی از ماده جذب شده بر روی جامد می نشیند و منجر به ایجاد منطقه انتقال جرم بسیار طولانی می شود. این نوع منحنی های هم دما نادرند ولی به منظور کمک به درک فرآیند احیاء ارزش مطالعه دارند. اگر منحنی هم دمای جذب مطلوب باشد مشخصات انتقال جرم از جامد به فاز سیال(فرایند دفع) به مشخصات جذب در منحنی هم دمای نا مطلوب شباهت دارد.
گرمای جذب فیزیکی کمتر از گرمای جذب شیمیایی است.
جذب فیزیکی می تواند در دماهای پایین صورت گیرد زیرا انرژی فعالسازی جذب فیزیکی کم می باشد.
جذب فیزیکی به نوع جاذب و نوع جذب شونده بستگی ندارد و در هر حالتی ممکن است انفاق بیافتد ولی جذب شیمیایی هم به نوع ماده و هم به نوع جاذب بستگی دارد. در جذب فیزیکی همیشه می توان جاذب را بازیابی کرده و دوباره استفاده کرد.
معیار انتخاب فرآیندهای جذب سطحیمقایسه بین فرآیندهای مختلف جداسازی در جهت انتخاب مناسب ترین فرآیند، از اهمیت خاصی برخوردار است. سهولت جداسازی توسط تقطیر بوسیله ضریب فراریت α مشخص می شود که برای یک مخلوط دوتایی ایده آل نسبت بین فشار بخارهای دو جزء می باشد. علی رغم فواید تقطیر، اساساً این فرآیند انرژی زیادی مصرف می کند.
مواردی که فرآیند جذب نسبت به تقطیر دارای ارجحیت است مشتمل بر موارد زیر می باشد:
1- جداسازی ترکیباتی که ضریب فراریت اجزای کلیدی آنها در حدود 5/1 یا کمتر باشد. مانند جداسازی ایزومرهای مختلف یک ترکیب.
2- در صورتی که جریان خوراک ارزش کمی داشته باشد. در این موارد مقدار جزء غیرفرار بالا بوده و غلظت محصول موردنظر نسبتاً کم است، بنابراین جریان برگشتی از نسبت بالایی برخوردار است و در نتیجه نیاز به انرژی زیاد خواهد بود.
3- برای جداسازی دو گروه از اجزاء که محدودة جوش آنها دارای محدودة هم پوشانی باشد. در این موقع حتی اگر ضریب فراریت نیز بزرگ باشد به چندین ستون تقطیر نیاز داریم.
4- جداسازی در دمای پایین و فشار بالا که در عملیات تبدیل گاز به مایع مورد نیاز است.
5- موارد خاص جداسازی که در آنها هزینه فرآیند جذب به مراتب کمتر از هزینه فرآیند تقطیر خواهد بود.
پارامترهای مؤثر بر جذببر طبق تئوریهای موجود، ظرفیت جذب تعادلی به عوامل زیر بستگی دارد:
نوع جاذب
نوع جذب شونده
شرایط فرآیند
تأثیر نوع جاذبجاذبها مواد جامد خلل و فرج داری هستند که بدلیل خاصیت جذبی که روی سطح خود دارند اجازه می دهند مولکولهای برخی مواد روی آنها مجتمع شده و جذب گردند. این خلل و فرج به شکل ها و اندازه های متفاوتی بوده و به شدت در میزان جذب و نوع ماده ای که می تواند جذب کند تاثیر دارد.
نوع جاذب به دو صورت بر ظرفیت جذب مؤثر است:
1-حجم کل حفره جاذب
هرچه حجم حفره بیشتر باشد جذب شونده بیشتر جذب می شود و اگر جریان گاز (یا هوا) به طور کامل با جذب شونده اشباع باشد، ظرفیت جذب تعادلی ماکزیمم حاصل می شود.
2-توزیع اندازه حفره
مطابق تقسیم بندی IUPAC که بر اساس سایز حفره ها می باشد حفره ها را براساس قطر به سه گروه زیر تقسیم کرده اند:
– میکروپور: حفره های ریز با قطر کمتر از 2 نانو متر
– مزوپور: حفره های متوسط با قطر بین 2 تا 50 نانو متر
– ماکروپور: حفره های بزرگ با قطر بیشتر از 50 نانو متر
جذب واقعی تقریباً فقط در حفره های ریز اتفاق می افتد. حفره های متوسط وظیفه انتقال جذب شونده را از فاز گاز به حفره های ریز بر عهده داشته و حفره های بزرگ قابلیت دسترسی جاذب را تعیین می کنند. در غلظتهای پایین جذب شونده، جذب تقریباً فقط در کوچکترین حفره های ریز اتفاق می افتد که بالاترین انرژی جذب را دارا هستند.
جامدهای جاذب معمولا به شکل گرانول مصرف می شوند و قطر آنها از ۱۲میلی متر تا ۵۰ میکرومتر متغیر است. جاذب ها بر اساس کاربرد و موقعیت مصرف دارای ویژگی متفاوتی می باشند. مثلا اگر از آنها در یک بستر ثابت با جریان گاز یا مایع استفاده می شود، نباید اختلاف فشار زیادی ایجاد کنند و همچنین نباید توسط جریان سیال به خارج حمل شوند. آنها باید از مقاومت و سختی خوبی برخوردار باشند تا در اثر حمل و نقل و همچنین در اثر وزن خود در بستر خرد نشوند. در صورتی که بخواهیم آنها را از ظروف نگهداری به داخل و خارج انتقال دهیم باید به راحتی جریان پیدا کنند. این ویزگی به راحتی قابل شناسایی هستند.
جذب یک پدیده عمومی است و تمام جامدها مقداری از گازها و بخارات را جذب می کنند ولی در اهداف صنعتی تنها بعضی جامدات ظرفیت جذب لازم را دارند. در جامداتی که دارای خاصیت جذب بسیار ویژه ای هستند و به مقدار زیاد جذب انجام می دهند، طبیعت شیمیایی آنها با ویژگی جذب رابطه دارد ولی صرف شناسایی شیمیایی برای بیان مفید بودن آنها کافی نیست. وجود سطح زیاد در واحد جرم، برای جاذب های مفید ضروری است. در جذب گازی، سطح واقعی، سطح ذرات گرانول نیست بلکه سطح بزرگتری است که داخل سوراخها و شکافها را شامل می شود. سوراخها خیلی کوچک بوده و معمولا در حدود چند مولکول قطر دارند ولی تعداد زیاد آنها باعث تولید سطح بزرگتری برای جذب میشود. ویژگی دیگری وجود دارد که از اهمیت زیادی برخوردار می باشد ولی همه آنها شناخته شده نیستند و برای بررسی قابلیت جذب باید به مشاهده و تجربه اتکا کرد.
فشار بخار یک مایع یا گاز در حفره های موئینه با فشار بخار آن در شرایط عادی متفاوت است. اگر لوله موئینه داشته باشیم فشار بخار کمتر از فشار بخار در سطح آزاد است. به عبارت دیگر نقطه جوش آن در فشار ثابت بالاتر است. یعنی اینکه در لوله های موئینه بخار زودتر میعان می شود. هر چه سوراخهای یک جاذب ریزتر باشد فشار بخار در آن کمتر بوده و عمل میعان زودتر صورت می گیرد بنابراین در جاذبهای میکروپور و مزوپور علاوه بر اینکه روی سطح جامد عمل جذب صورت می گیرد، بدلیل وجود خلل و فرج ریزتر، کندانس شدن گاز نیز صورت می گیرد. هرچند در جاذبهای میکروپور عمل دفع نیز سخت صورت می گیرد.
تأثیر نوع جذب شوندهروشن است که جذب شونده باید به اندازه کافی کوچک باشد تا در حفره های جاذب جای گیرد و دانسیته نیز روی ماکزیمم جرم جذب شونده مؤثر است. دو پارامتر اول روی میزان جذب شده مؤثرند، در حالیکه نقطه جوش و ساختار جذب شونده روی توان جذب مؤثر هستند. اساساً یک جذب شونده با نقطه جوش بالاتر بیشتر از یک جذب شونده با نقطه جوش پائین تر جذب می شود. شکل جذب شونده نیز تأثیر زیادی دارد. مثلاً بنزن نسبت به هگزان بهتر به درون حفره ها نفوذ می کند.
اثر شرایط فرآیندشرایط موثر بر ظرفیت جذب تعادلی عبارتند از:
1-غلظت جذب شونده
2- دمای جذب
در غلظتهای پایین، جذب فقط در کوچکترین حفره های ریز اتفاق می افتد در حالیکه در غلظتهای بالا، حفره های بزرگتر نیز در جذب شرکت می کنند که در نتیجه ظرفیت جذب تعادلی بالاتر می رود.
دمای جذب روی مقدار انرژی جذب شونده موثراست. به عبارت دیگر دمای جذب بالاتر، معادل ظرفیت جذب پائین تری است. پارامترها و شرایط دیگر فرآیند روی ظرفیت جذب اثری نداشته و روی زمان مورد نیاز برای رسیدن به تعادل موثرند.
جاذب ها
جاذب ها دارای خاصیت جذب انتخابی هستند به این معنی که بسته به ساختمان و نوع جاذب میتوانند برخی از موادی را بیشتر از سایر مواد موجود در سامانه جذب کنند. به طور کلی برای هر فرایند جذب، انتخاب جاذب مهمترین قسمت طراحی می باشد در نتیجه باید مواردی نظیر ظرفیت، گزینش پذیری، قابلیت احیا، سینتیک، سازگاری، قیمت و … مورد توجه قرار گیرد که در اینجا به صورت مختصر شرح می دهیم:
ظرفیتظرفیت جذب مهمترین ویژگی هر جاذب است و برابر است با مقدار ماده ای که در واحد جرم (یا حجم)جاذب، جذب می شود. این خاصیت به غلظت فاز سیال، دما و دیگر شرایط، به ویژه شرایط اولیه جاذب، بستگی دارد. معمولاً اطلاعات مربوط به ظرفیت جذب، در دمای ثابت و غلظتهای مختلف ماده جذب شونده یا فشار جزئی بخار و یا گاز اندازه گیری می شود و داده های بدست آمده در یک منحنی بنام منحنی همدما رسم می شوند. ظرفیت جذب اصلی ترین فاکتور در تعیین قیمت جاذب می باشد زیرا این فاکتور مقدار جاذب مورد نیاز برای فرایند را مشخص کرده، و همچنین اندازه بستر جذب را تعیین می نماید.
گزینش پذیریاین فاکتور به ظرفیت جذب مرتبط است، ولی تعاریف مشخص دیگری برای این فاکتور نیز وجود دارد. ساده ترین تعریف برای گزینش پذیری عبارتست از نسبت ظرفیت جذب یک جزء به دیگر جزء در غلظت مشخص سیال. این نسبت معمولاً با کاهش غلظت و نزدیک شدن به صفر، به یک مقدار ثابت نزدیک می شود.
قابلیت احیاتمام فرایندهای جذب سیکلی، بر اساس خاصیت احیای جاذب استوار هستند و همین فاکتور سبب کارکرد یکنواخت جاذبها در فرایندهای سیکلی می شود. در حقیقت قابلیت احیا به این معناست که هر جزء جذب شونده فقط باید به شکل فیزیکی جذب جاذب شود و یا می توان گفت جذب آن بر روی جاذب ضعیف باشد. گرمای جذب، مقدار انرژی لازم برای احیای جاذب را تعیین می کند.
سینتیکسینتیک انتقال جرم یک واژه کلی است که با مقاومت انتقال جرم درون ذره ای ارتباط دارد. این فاکتور به علت کنترل زمان سیکل فرایندهای جذب با بستر ثابت، دارای اهمیت ویژه ای است.
سازگاریاین فاکتور، اتفاقات شیمیایی و فیزیکی مختلف را که سبب کاهش عمر مفید جاذب می شوند مانند رسوب بیولوژیکی و یا سائیدگی را پوشش می دهد. برای مثال یک جاذب نباید به شکل بازگشت ناپذیر با مواد جذب شونده واکنش دهد. همچنین شرایط عملیاتی مثل سرعت، دما، فشار و لرزش ها نباید سبب تجزیه ناخواسته ذرات جاذب شوند.
قیمتقیمت، ظریف ترین فاکتور برای انتخاب یک جاذب می باشد زیرا حتی برای یک جاذب مشخص، قیمت دارای تغییرات زیادی از یک کمپانی به کمپانی دیگر می باشد. به ندرت یک جاذب تمام شرایط لازم را داراست. برای اینکه یک جاذب به شرایط مورد نظر نزدیک شود، لازم است تا ویژگی آن بهبود یابد.
جاذب مورد استفاده در هر فرایند باید دارای قابلیت بالایی برای جداسازی جزء مورد نظر باشد، همچنین لازم است سرعت دفع و جذب جزء مورد نظر بالا باشد. مبنای علمی و اصلی برای انتخاب جاذب، هم دماهای تعادلی هستند. از این رو به همدماهای تعادلی همه عناصر و سازنده ها در فشار و دمای عملیاتی و در مخلوط گازی باید توجه کرد.
طول استفاده نشده از بستر (LUB)طول استفاده نشده از بستر توسط هم دمای تعادلی مشخص می شود و این طول معمولاً نیمی از منطقه انتقال جرم است. هر چه این طول کمتر باشد میزان بهره وری از جاذب و خلوص محصول بالا می رود. توزیع اندازه ذره نیز می تواند در LUB تأثیر داشته باشد ولی اهمیت آن به میزان اهمیت ایزوترم های تعادلی نمی رسد. علاوه بر اینها برای انتخاب جاذب به فاکتورهای دیگری نیز باید توجه کرد. مثلاً برای جریانهای گازی حاوی رطوبت، کربن فعال تنها جاذب تجاری مناسب است زیرا جاذبهای دیگر به یک مرحله خشک کردن مقدماتی نیاز دارند.
روشهای احیای جاذببسیاری از فرایند های تجاری برای خالص کردن و جداکردن گازها از دو یا چند بستر پرشده جاذب استفاده میکنند. ساده ترین ساختار، دو برج پرشده است که یکی به عنوان جذب کننده عمل میکند درحالی که دیگری، که توسط جریان گاز اشباع شده است، به عنوان یک احیاء کننده عمل میکند. پس از آن نقش دو بستر معکوس می شود و جذب کننده، احیاء کننده می شود در حالیکه بستری که به تازگی احیاء شده است، جذب کننده میشود. سپس چرخه در بازه زمانی، که از قبل مشخص شده است، تکرار می شود. بنابراین در حالی که هر یک از بسترها به صورت ناپیوسته عمل میکنند، جریان پیوسته خوراک و محصول به صورت پایا در سامانه وجود خواهد داشت. مدت زمان چرخه، در درجه اول بستگی به روش احیاء بستر بوسیله تغییر فشار یا تغییر دما دارد.
در بسیاری از کاربردها، احیاء و استفاده دوباره از جاذب از نظر اقتصادی ضروری است. همانگونه که قبلا بیان شد روش های عملی احیاء شامل یک یا ترکیبی از این موارد است:
1- تناوب دما (TSA)
2- تناوب فشار (PSA)
3- خارج کردن با گاز خنثی
4- جایگزینی با یک جزء قوی تر از نظر قدرت جذب سطحی
انتخاب روش نهایی احیاء بستگی به شرایط تکنیکی و محدودیتهای اقتصادی دارد.
تعادل: منحنی هم دمای جذبمنحنی هم دمای جذب، رابطه تعادلی بین غلظت در فاز سیال و غلظت در ذرات جاذب در دمای مشخص است. غلظت مایعات اغلب بر حسب واحد های جرم، مانند قسمت در میلیون است، در حالی که غلظت در گازها بر حسب جزء مولی بیان میشود. غلظت ماده جذب شده روی جامد به صورت جرم جذب شده به واحد جرم جاذب اولیه مشخص می شود. به منظور اینکه بتوانیم ظرفیت جذب دینامیکی یا عملی را تخمین بزنیم بایستی ابتدا اطلاعاتی را نسبت به تعادل جذب سطحی در حالت استاتیک داشته باشیم. سپس تحلیل سینتیکی بر اساس فرآیند های سرعت که بستگی به نوع فرآیند های تماس دارد انجام می شود.
برخی اشکال منحنی های هم دما به صورت نمودارهای حسابی شکل 1-1 نشان داده شده اند. منحنی هم دمای خطی از مبدا می گذرد و در آن، مقدار ماده جذب شده متناسب با غلظت آن در سیال است. منحنی هم دمایی که انحناء آن ها رو به بالاست، مطلوب خوانده می شود چرا که می توان بار نسبتا زیادی را از سیالی با غلظت کم به دست آورد. حالت حدی یک منحنی هم دمای بسیار مطلوب جذب، برگشت ناپذیر است که در آن مقدار ماده جذب شده تا غلظت های بسیار پایین مستقل از غلظت است. با افزایش دما مقدار ماده جذب شده در تمام سامانه ها کاهش می یابد، در نتیجه می توان با بالا بردن دما، ماده جذب شده را حتی از سامانه های برگشت ناپذیر هم جدا کرد. اما وقتی که جذب بسیار مطلوب یا برگشت ناپذیر است در مقایسه با منحنی های هم دمای خطی، واجذبی به دمای بسیار بیشتر نیاز دارد. منحنی هم دمایی که انحنای آن رو به پایین است نا مطلوب خوانده می شود، چرا که بار نسبتا کمی از ماده جذب شده بر روی جامد می نشیند و منجر به ایجاد منطقه انتقال جرم بسیار طولانی می شود. این نوع منحنی های هم دما نادرند ولی به منظور کمک به درک فرآیند احیاء ارزش مطالعه دارند. اگر منحنی هم دمای جذب مطلوب باشد مشخصات انتقال جرم از جامد به فاز سیال(فرایند دفع) به مشخصات جذب در منحنی هم دمای نا مطلوب شباهت دارد.
شکل 1-1: منحنی هم دمای جذب سطحیدر حالت تعادل بین غلظت در فاز جاذب و غلظت (یا فشار) در فاز سیال و دما رابطه ای به صورت زیر برقراراست q = f (C, T)
که C غلظت تعادلی سیال، T دمای مطلق و q غلظت تعادلی در فاز جاذب است. می توان برای بیان رفتار تعادلی جذب، معادله فوق را در سه حالت مختلف بررسی کرد.
در حالت اول رابطه بین مقدار جذب شده qو غلظت در فاز سیال C در دمای T ایزوترم جذب سطحی نامیده می شود.
q = f(C)دما ثابت
در حالت دوم رابطه بین غلظت و دما که مقدار ماده جذب شده مشخص q را نتیجه می دهد ایزومتر جذب سطحی می نامند.
C = f (T)میزان جذب ثابت
حالت سوم حالتی است که جذب در فشار ثابت انجام میگیرد و به آن ایزوبار میگویند. در این حالت با تغییر دما، غلظت در فاز جامد تغییر می کند در حالی که فشار سیال ثابت است:
q = f (T)فشار ثابت
برای بیان رفتار تعادلی سیستم های جذب حالت اول یعنی ایزوترم جذب متداولتر است و کاربرد بیشتری دارد.
ایزوترم های جذب سطحی در شکل های مختلف ریاضی بیان می شوند، که بعضی از آن ها بر اساس شکل فیزیکی ساده شده جذب سطحی و دفع هستند در حالیکه سایر روابط، کاملا تجربی هستند و هدف آن است که داده آزمایشگاهی را به صورت معادلات ساده با دو یا سه پارامتر تجربی بیان کنیم. هر چه تعداد پارامترهای تجربی بیشتر باشد، برازش بهتری بین داده آزمایشگاهی و معادله تجربی وجود خواهد داشت ولی معادلات تجربی که به فاکتورهای فیزیکی ربط نداشته باشد، اهمیت عملی خاصی ندارد.
ایزوترم های جذب سطحیمهمترین ایزوترمهایی که تاکنون مشاهده شده اند به پنج نوع طبقه بندی می شوند در شکل 1-2 این پنج نوع، نشان داده شده اند.
نوع I ساده ترین نوع ایزوترم است که ایزوترم لانگمویر نامیده می شود و یک ایزوترم ایده آل میباشد که برای فشارهای پایین و لحظه های اولیه جذب مناسب است. مولکولها با گذشت زمان سطح را میپوشانند و جذب به راحتی انجام پذیر نخواهد بود. این ایزوترم غالباً برای جاذبهای میکروپور ( مانند کربن اکتیوها و زئولیتها) بکار برده می شوند.
ایزوترم نوع II به ایزوترم BET معروف است. این نوع ایزوترم برای مواد غیر متخلخل با پیوند های قوی سیال و سطح ارائه می گردند.
ایزوترم های نوع III نشان دهنده جذب مولکولها به صورت چند لایه ای هستند. اما در این حالت قبل از آنکه لایه اول تشکیل شود، لایه های متعدد جذب میشوند. این رفتار هنگامی اتفاق میافتد که نیروی جذب بین سطح جاذب و گاز کمتر از نیروی جاذبه بین مولکولهای جذب شده باشد. ایزوترمهای نوع II و III معمولا تنها در جاذب هایی که در آنها یک دامنه وسیع از اندازه حفره ها وجود دارد، مشاهده می شوند. در چنین سیستم هایی با افزایش فشار یک افزایش پیوسته از جذب تک لایه ای به جذب چند لایه ای و سپس به میعان مویینه وجود دارد. افزایش در ظرفیت در فشار بالا به دلیل میعان مویینه در حفره هایی است که با افزایش فشار قطرشان افزایش می یابد. ایزوترمهای نوع IVو V نشان گر معادلاتی اند که اثر خاصیت مویینگی جذب در آنها دیده می شود. در این نوع ایزوترمها، دفع و جذب دارای نمودارهای متفاوتی اند. (این دو نوع، لوپHystersis را نشان می دهند).
شکل 1-2: پنج نوع ایزوترم های جذب ( P0 فشار بخار اشباع است)از میان ایزوترمهای فوق، نوع I وII از رایج ترین ایزوترمها در فرآیندهای جداسازی به شمار می روند.
جذب در پوشش کم، قانون هنریاین قانون برای جذب فیزیکی که هیچ تغییری در حالت مولکولی روی جاذب وجود نداشته باشد، معتبر است. بر طبق این قانون، برای جذب به روی یک سطح یکنواخت در غلظت هایی به اندازه کافی پایین، به قدری که تمام مولکول ها از نزدیکترین مولکول مجاورشان نیز ایزوله باشند، رابطه تعادلی بین فاز سیال و غلظت فاز جذب شده، خطی می باشد. این رابطه خطی، به دلیل تشابه با رفتار حدی محلولها و گازها در مایعات و ثابت بودن ضریب تناسب به قانونی هنری شناخته می شود و به ثابت تعادل جذب نیز ثابت هنری گفته می شود. ثابت هنری ممکن است تابع فشار یا غلظت باشد:
q = KC یا q = K´p
q و C به ترتیب غلظت برحسب مول بر واحد حجم در فاز جذب شده و سیال است.
مدل تعادلی لانگمویرساده ترین و مفیدترین مدل تئوری جذب تک لایه ای در فرآیندهای جداسازی در سال 1918 توسط لانگمویر ارائه شد. مدل لانگمویر در اصل برای بیان جذب شیمیایی در یک مجموعه متمرکز مشخص روی یک سطح یکنواخت حرارتی در محل های جذب، ایجاد شده است.
فرضیات اصلی مدل لانگمویر :
مولکول ها در محل های متمرکز تعریف شده جذب میشوند.
هر محل میتواند تنها یک مولکول جذب شده را نگهداری کند.
تمام محل ها از لحاظ انرژی یکسان می باشند.
هیچ برخوردی بین مولکولهای جذب شده در محل های همجوار وجود ندارد.
پوشش سطح یا پر شدن کسری منافذ ریز برابر است با θ=qqs که qs تعداد کل محل ها در واحد وزن یا حجم جاذب می باشد و فشار جزیی در فاز گازP میباشد که وقتی غلظت داخل فاز سیال استفاده شود با C(=P/RT) جایگزین می شود. سرعت جذب سطحی با فرض سرعت واکنش درجه اول، به صورتKaP(1- θ) می باشد. در این صورت سرعت دفع برابر خواهد بود با Kd θ.
در حالت تعادل سرعتهای جذب و دفع برابرند. دراینصورت خواهیم داشت:
(1-2)θ1-θ=KaKd.P=bP
که در آن b=KaKd ثابت تعادل جذب میباشد.
معادله بالا به صورت زیر بازنویسی میشود :
(1-3)θ=qqs=bp1+bpدر حالت اشباع، میزان جذب شده به میزان تعادلی میرسد و فشار به بی نهایت نزدیک می شود. در غلظتهای پایین مقدار q نزدیک به صفر است و داریم:
(1-4)
در نتیجه: θ1-θ→qqs(1-5)limp→0qp=bqs=K’که بیانگر اینست که معادله لانگمویر به معادله نوع هنری تغییر می یابد.
روش مقایسه نتایج تئوری مدل لانگمویر با داده های تجربی معمولاً عبارتست از رسم p/q برحسب p و یا 1 /q برحسب 1/p. بدین ترتیب معادلات به این شکل مرتب می شوند:
(1-6)pq=1bqs+pqsبنابراین بدیهی است که پارامترهای مدل qs و b به سادگی از روی شیب و عرض از مبدأ بدست می آیند. رسم p/q برحسب p به انحرافات کوچک حساستر است زیرا متغیر p در هر دو وجود دارد. مدل لانگمویر زمانی از لحاظ کیفی صحیح است که ایزوترم نوع I نشان داده شود و انطباق مناسبی روی محدودة وسیعی از غلظت با انتخاب معقول qs و b در این حالت قابل حصول است.
ایزوترم لانگمویر با احتساب اثر متقابل مولکولهایکی از اصلاحات صورت گرفته روی ایزوترم لانگمویر، در نظر گرفتن اثر متقابل مولکولهای جذب شده مجاور است. این اثر به نیروهای واندروالس مربوط بوده و بنابراین با جذب فیزیکی که بیشتر مربوط به نیروی واندروالس است افزایش می یابد.
************************************* ************************************* نکته مهم : هنگام انتقال متون از فایل ورد به داخل سایت بعضی از فرمول ها و اشکال درج نمی شود یا به هم ریخته می شود یا به صورت کد نمایش داده می شود ولی در سایت می توانید فایل اصلی را با فرمت ورد به صورت کاملا خوانا خریداری کنید: سایت مرجع پایان نامه ها (خرید و دانلود با امکان دانلود رایگان نمونه ها) : elmyar.net ************************************* ************************************* ایزوترم لانگمویر روی سطوح ناهمگن؛ ایزوترم فرندلیچیک نمونه واقعی ایزوترم ها که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد معادله فرندلیچ است. در بحث اصلی لانگمویر، مقدار جذب شده در اصل مجموعی است از جذبی که به روی تمام مراکز فعال انجام گرفته است. هر کدام از این مراکز مقدار b مخصوص به خود داشته و مقدار حرارت نیز متوسط گیری شده است. Zeldowitch یک تابع نمایی کاهشی از دانسیته مراکز فعال نسبت به q فرض کرد و یک ایزوترم تجربی کلاسیک به دست آورد که به ایزوترم فرندلیچ معروف است.
(1-7)q=kfC1nFاین معادله اغلب به عنوان معادله تجربی بررسی می شود. تفسیر این معادله از لحاظ تئوری به صورت جذب روی سطح نا همگن انرژی ممکن می باشد.
ایزوترم لانگمویر روی سطوح ناهمگن، معادله لانگمویر- فرندلیچ:به دلیل محدودیت مدل لانگمویر در پیش بینی تعادل مخلوط، افراد مختلفی معادلات را با استفاده از رابطه توانی با شکل فرندلیچ اصلاح کردند. لانگمویر جذبی را در نظر گرفته بود که هر مولکول دو مرکز را اشغال کند. در این حالت دو مرکز فعال برای جذب و دفع احتیاج است و از اینرو سرعتهای دفع و جذب با θ و 2θ متناسبند. ایزوترم حاصل عبارتست از:
(1-8)θ=bP121+(bP)12و در جائیکه n سایت اشغال شود خواهیم داشت:
(1-9)θ=bP1n1+(bP)1nبر طبق ایزوترم فرندلیچ، مقدار جذب شده به طور معینی با فشار افزایش می یابد. هر دو ایزوترمهای لانگمویر و فرندلیچ دارای دو پارامتر هستند. ایزوترمهای حاصل روابط مناسبی برای پوشاندن مقادیر آزمایشی در محدوده وسیعی از فشار و دما هستند.
هر چند مفهوم ترمودینامیکی کاملی برای این مدل وجود ندارد، عبارت فوق تطبیق خوبی باروابط تجربی تعادل دوجزئی برای یک تعداد از گازهای ساده روی جاذبهای غربال مولکولی نشان داده اند و بطور وسیعی برای اهداف طراحی مورد استفاده قرار میگیرند. با این حال به دلیل عدم وجود پایه تئوری مناسب برای این معادلات در استفاده از آنها باید احتیاط نمود.
بخش دوم: بررسی ویژگی اورانیوماورانیوم
یکی از عناصر شیمیایی جدول تناوبی است که نماد آن، U و عدد اتمی آن 92 میباشد. اورانیوم که یک عنصر سنگین، سمی، فلزی، رادیواکتیو و براق به رنگ سفید مایل به نقرهای میباشد، به گروه آکتیندها تعلق داشته و ایزوتوپ 235 آن برای سوخت راکتورهای هستهای و سلاح های هستهای استفاده میشود. معمولا اورانیوم در مقادیر بسیار ناچیز در صخره ها، خاک، آب، گیاهان و جانوران از جمله انسان یافت میشود. اورانیوم هنگام عمل پالایش به رنگ سفید مایل به نقرهای و با خاصیت رادیواکتیوی میباشد که کمی از فولاد نرمتر است.این فلز چکشخوار، رسانای جریان الکتریسیته و کمی پارا مغناطیس میباشد. چگالی اورانیوم 65% بیشتر از چگالی سرب میباشد. اگر اورانیوم بهخوبی جدا شود، به شدت از آب سرد متاثر شده و در برابر هوا اکسید میشود. اورانیوم استخراج شده از معادن، میتواند بهصورت شیمیایی به دیاکسید اورانیوم و دیگر گونههای قابل استفاده در صنعت تبدیل شود.اورانیوم در صنعت سه نوع دارد:
آلفا که تا دمای 7/667 درجه پایدار است.
بتا که از دمای 7/667 تا 8/774 درجه پایدار است.
گاما که از دمای 8/774 درجه تا نقطه ذوب پایدار است. (این رساناترین و چکشخوارترین نوع اورانیوم میباشد. )
اورانیوم طبیعی از 3 ایزوتوپ U-235 ,U-234 و U-238 تشکیل شده است که U-238 فراوانترین آنها می باشد. این سه ایزوتوپ رادیو اکتیو بوده که نیمه عمر 235U برابر است با 4/5×109 سال که پایدارترین ایزوتوپ می باشد. دو ایزوتوپ مهم آن U-238 و U-235 میباشند که U-235 مهمترین ایزوتوپ برای راکتورها و سلاحهای هستهای است چرا که این ایزوتوپ تنها ایزوتوپی است که در طبیعت وجود دارد و در هر مقدار ممکن توسط نوترونهای حرارتی شکافته میشود.
ایزوتوپ U-238 نیز از این جهت مهم است که نوترونها را برای تولید ایزوتوپ رادیواکتیو جذب کرده و آن را به ایزوتوپ 239Pu پلوتونیوم تجزیه میکند. اورانیوم اولین عنصر یافته شده بود که میتوانست شکافته شود. برای نمونه با بمباران آرام نوترونی ایزوتوپ 235U آن به ایزوتوپ کوتاه عمر U-236 تبدیل شده و بلافاصله به دو هسته کوچکتر تقسیم میشود که این عمل انرژی آزاد کرده و نوترونهای بیشتری تولید میکند. اگر این نوترونها توسط هسته U-235 دیگری جذب شوند، عملکرد حلقه هستهای دوباره اتفاق میافتد و اگر چیزی برای جذب نوترونها وجود نداشته باشد، به حالت انفجاری در میآیند. اولین بمب اتمی با این اصل جواب داد.
کاربردهای فلز اورانیومفلز اورانیوم بسیار سنگین و پرچگالی میباشد. اورانیوم خالی توسط بعضی از ارتشها برای ساخت محافظ برای تانکها و ساخت قسمتهایی از موشکها و ادوات جنگی استفاده میشود. ارتشها همچنین از اورانیوم غنیشده برای سوخت ناوگان خود و زیردریاییها و همچنین سلاحهای هستهای استفاده میکنند. اورانیوم موجود در سلاحهای هستهای بشدت غنی میشوند که این مقدار بصورت تقریبی 90% میباشد. مهمترین کاربرد اورانیوم در بخش غیر نظامی تامین سوخت دستگاههای تولید نیروی هستهای است که در آنها سوخت U-235 به میزان حدود 5% غنی میشود. لعاب ظروف سفالی از مقدار کمی اورانیوم طبیعی تشکیل شده است ( که داخل فرایند غنی سازی نمیشود ) که این عنصر برای اضافه کردن رنگ با آن اضافه میشود. نیمه عمر طولانی ایزوتوپ اورانیوم 238 آن را برای تخمین سن سنگهای آتشفشانی مناسب می سازد.
تولید و توزیع
اورانیوم اقتصادی از طریق کاهش هالیدهای اورانیوم با خاک فلزات قلیایی تولید میشود. همچنین فلز اورانیوم میتواند از طریق عمل الکترولیز 5KUF یا 4Uf که در 2CaCl و NaCl حل شده است، بدست آید. اورانیوم خالص نیز از طریق تجزیه حرارتی هالیدهای اورانیوم حاصل میشود. معمولا کشورهای بزرگتر اورانیوم بیشتری در مقایسه با کشورهای کوچکتر تولید میکنند، چرا که گسترش و توزیع اورانیوم در جهان یک شکل و یکنواخت است. کشور استرالیا ذخایر بسیار زیادی از این عنصر دارد که تقریبا 30% ذخایر دنیا را شامل میشود.
هشدارها
تمام ترکیبات اورانیوم سمی و رادیو اکتیو هستند. سمی بودن این عنصر میتواند کشنده باشد. در مقادیر بسیار کم خاصیت سمی بودن این عنصر به کلیه آسیب میرساند. ویژگی رادیواکتیوی این عنصر نیز سیستماتیک و نظام مند است. در کل ترکیبات اورانیوم بهسختی جذب روده و ریه میشوند و خطرات رادیولوژیکی آن باقی میماند. فلز خالص اورانیوم نیز خطر آتشسوزی به همراه دارد. فرد ممکن است با تنفس غبار اورانیوم در هوا یا خوردن و آشامیدن آب و غذا در معرض این عنصر قرار بگیرد. البته بیشتر این عمل از طریق خوردن آب و غذا صورت میگیرد. جذب روزانه اورانیوم در غذا 07/0 تا 1/1 میکروگرم میباشد. مقدار اورانیوم در هوا معمولا بسیار ناچیز است. افرادی که در کنار تاسیسات هستهای و یا معادن استخراج اورانیوم زندگی میکنند، بیشتر در معرض این عنصر قرار میگیرند. اورانیوم ممکن است که از طریق تنفس یا بلع و یا در موارد استثنایی از طریق شکافی روی پوست وارد بدن شود. اورانیوم توسط پوست جذب نمیشود و ذرات آلفای ساطع شده از این عنصر نمیتواند به پوست نفوذ کند. بنابراین اورانیومی که خارج از بدن باشد، نمیتواند به اندازه اورانیوم داخل بدن مضر و خطرناک باشد. اگر اورانیوم به بدن وارد شود، ممکن است موجب سرطان شده یا به کلیهها آسیب برساند.
هگزافلوراید اورانیوم
هگزافلوراید اورانیوم، ترکیب شیمیایی است که حاوی یک اتم اورانیوم و 6 اتم فلوئور است، این ترکیب در فرآیند غنی سازی اورانیوم مورد استفاده قرار می گیرد و دلیل انتخاب آن اینست که اتم فلوئور تنها دارای یک ایزوتوپ می باشد و در اختلاف وزن مولکولی دو گونه ترکیب UF6 تفاوت تنها مربوط به ماده اورانیوم می باشد و بدین دلیل به راحتی میتوان با کمک روش های موجود ایزوتوپ U-235 را غنی سازی کرد. تحت شرایط دما و فشار مناسب این ترکیب می تواند به صورت جامد، مایع و یا گاز باشد. UF6 جامد، ماده ای سفید، چگال و بلوری است (مثل سنگ نمک). UF6 در فاز مایع، بیرنگ، چگال و دارای و یسکوزیته پایین می باشد و میتواند آزادانه جریان یابد و سطح مخزنش را کاملاً مرطوب کند.
با کاهش دما UF6 در فشار های کمتر از 5/1 اتمسفر بدون عبور از فاز مایع از فاز گاز وارد فاز جامد می شود.UF6 مایع فقط زمانی به دست میآید که دما بیش از 147 0F یا 64 0C و فشار نیز 1/5برابر فشار جو و حدود 22 psi باشد. این دما و فشار نقطهی سه گانه UF6 را نشان می دهد. در فشار جو وقتی دما به 57 0C برسد، UF6 جامد بدون عبور از فاز مایع مستقیماً به گاز تبدیل میشود.
هگزا فلوراید اورانیوم با اکسیژن، نیتروژن، دی اکسید کربن و یا هوای خشک واکنش نمیدهد اگر چه هر یک از این گازها در فاز مایع UF6 محلول می باشند.UF6 با آب یا بخار آب واکنش میدهد به همین دلیل UF6 در مخازن ایزوله و یا وسایل فراوری ضد نشت نگهداری و به کار برده میشود. UF6 میتواند با بیشتر فلزات وارد واکنش شود و فلوراید آن فلز را همراه با مقدار کمی فلوراید اورانیوم با ظرفیت کم تولید نماید. نیکل یا فولاد پوشیده شده با آن، مونل، مس و بعضی از آلیاژهای آلومینیوم به دلیل مقاومتشان در برابر UF6 در ساخت تجهیزات کاربرد دارند.
روش های تولید انرژی هسته ایاساساً دو شیوه ی بنیادی برای آزاد سازی انرژی یک «اتم» وجود دارد:
1- شکافت هسته ای: می توان هسته ی یک «اتم» را با یک «نوترون» به دو جزء کوچک تر تقسیم کرد. این همان شیوهای است که در مورد ایزوتوپ های اورانیوم (یعنی اورانیوم 235 و 233) به کار میرود. در این روش هسته یک اتم توسط یک نوترون به دو بخش کوچکتر تقسیم میشود. در این روش غالباً از عنصر اورانیوم استفاده میشود.
2- گداخت هسته ای: می توان با استفاده از دو اتم کوچک تر که معمولاً هیدورژن یا ایزوتوپ های هیدورژن (مانند دوتریوم و تریتیوم) هستند، یک اتم بزرگ مثل هلیوم یا ایزوتوپ های آن را تشکیل داد. این همان شیوهای است که در خورشید برای تولید انرژی به کار میرود.
فرآیند هر دو شیوه، دست یافتن به میزان عظیمی از انرژی گرمایی و تشعشع است.غنی سازیهمانگونه که بیان شد سنگ معدن اورانیوم موجود در طبیعت از دو ایزوتوپ اورانیوم 235 به مقدار 7/0 درصد و اورانیوم 238 به مقدار 3/99 درصد و مقدار کمی اورانیوم 234 تشکیل شده است. اگر ما بخواهیم از اورانیوم 235 بعنوان سوخت در نیروگاههای حرارتی، استفاده کنیم اورانیوم به شکل طبیعی قابل استفاده نیست و باید درصد اورانیوم 235 را در سوخت تا حدود 5 درصد بالا ببریم زیرا فقط اورانیوم 235 با نوترونهای گرمایی واکنش شکافت انجام می دهد. به این کار اصطلاحا غنی سازی اورانیوم می گویند، که از عهده هر کشوری بر نمی آید زیرا این عمل بسیار پرهزینه و گران است و نیاز به تخصص فوق العاده زیادی دارد.
مراحل غنی سازی، به اختصار به این صورت است که ابتدا سنگ معدن اورانیوم استخراج شده را آسیاب کرده و به صورت پودر در میآورند.( معدن اورانیوم صخره ای است که در هر تن دارای حدود نیم تا دو کیلوگرم اکسید اورانیوم می باشد که معادل 05/0 تا 2/0درصد اکسید اورانیوم است. از هر هزاران کیلو سنگ معدن اورانیوم 140 کیلوگرم اورانیوم طبیعی به دست می آید که فقط یک کیلوگرم اورانیوم 235 خالص در آن وجود دارد). سپس به این پودر، اسید سولفوریک اضافه میکنند و پس ازطی فرآیند شیمیایی خاصی و تخلیص سازی، اکسید اورانیوم را با اسید سولفوریک ترکیب کرده و به سولفات اورانیل تبدیل می کنند ودر آخر با افزودن حلالهای مخصوصی به سولفات اورانیل، مادهای جامدی به نام اکسید اورانیومU3O8 (کیک زرد) به وجود می اید که شامل 70 درصد اورانیوم بوده و دارای ویژگی پرتوزایی می باشد. کیک زرد اورانیوم غلیظ شده است. نام این عنصر بدلیل رنگ و شکل آن در هنگام تولید میباشد اگرچه تولید امروزه کیک زرد بیشتر به رنگ سبز مایل به سیاه می گراید تا زرد. برای غنی سازی اورانیوم، باید ابتدا کیک زرد را با اتم فلئور (F-9)، ترکیب کرده و به صورت گاز هگزا فلوراید اورانیوم (UF6) در بیاوریم. هگزا فلورید اورانیوم UF6 جامد است که در دمای بالای 56 درجه سانتیگراد بخار می شود. از این مرحله به بعد برای غنی سازی اورانیوم می توان از روشهای زیر استفاده نمود.
روش انتشار (پخش) حرارتی
روش انتشار (پخش) گازها
روش الکترومغناطیسی
روش مرکزگریز گازی
روش مرکزگریز گازی زیپه
روشهای لیزری
روش شیمیایی
روش پلاسمایی
از بین تمامی این روشها هماکنون تنها دو روش “سانتریفوژ گازی” و “پخش گازی” است که در مقیاس تجاری اهمیت داشته و کاربردهای عملی وسیع پیدا کردهاند.
غنی سازی با دستگاه سانتریفیوژسانتریفیوژ دستگاهی است که برای جدا سازی مواد از یکدیگر بر اساس وزن آنها استفاده میشود. این دستگاه مواد را با سرعت زیاد حول یک محور به گردش در می آورد. در واقع در این روش برای جدا سازی مواد از یکدیگر از شتاب ناشی از نیروی گریز از مرکز استفاده میگردد. کاربرد عمومی این دستگاه برای جداسازی مایع از مایع و یا مایع از جامد است. سانتریفیوژهایی که برای غنی سازی اورانیوم استفاده میشود حالت خاصی دارند که برای گاز تهیه شدهاند که به آنها هایپر سانتریفیوژ گفته میشود. پیش از آنکه دانشمندان از این روش برای غنی سازی اورانیوم استفاده کنند از تکنولوژی خاصی بنام پخش و توزیع گازی استفاده میکردند.
گردش سریع روتور، نیروی گریز از مرکز بسیار قوی تولید میکند و طی آن مولکولهای سنگین تر (آنهایی که شامل ایزوتوپ اورانیوم ۲۳۸ هستند) از مرکز محور گردش دورتر میگردند و مولکولهای سبکتر (اورانیوم ۲۳۵) بیشتر حول محور سانتریفیوژ قرار میگیرند. در غنی سازی اورانیوم با روش سانتریفوژ گازی، از تعداد زیادی سیلندر دوار که به صورت موازی و سری کنارهم قرار داده شدهاند، استفاده میشود. باید هزاران سانتریفیوژ در کنار هم قرار بگیرند تا ما بتوانیم اورانیوم را غنی کنیم یعنی با یک یا چند سانتریفیوژ نمیتوان اورانیوم را غنی کرد.
غنی سازی اورانیوم از طریق میدان مغناطیسی بسیار قویدر این روش هگزا فلوئورید اورانیوم را حرارت می دهند تا تبخیر شود و اتم های اورانیوم و فلوئورید از هم جدا شوند. سپس، اتم های اورانیوم را به میدان مغناطیسی بسیار قوی هدایت می کنند، میدان مغناطیسی بر هسته های باردار اورانیوم نیرو وارد کرده و از مسیر مستقیم خود منحرف می کند. اما هسته های سنگین اورانیوم (اورانیوم238) نسبت به هسته های سبک تر(اورانیوم 235) انحراف کمتری دارند، و درنتیجه از این طریق می توان اورانیوم 235 را از اورانیوم طبیعی تفکیک کرد.
تله شیمیاییدر واحد غنی سازی اورانیوم بوسیله سانتریفیوژ، گاز UF6 پس از عبور از سانتریفیوژ و انجام فرایند غنی سازی، وارد تله سرد شده و در دمای پایین جامد و جمع آوری می گردد. بعد از رسیدن فشار داخل تله سرد به مقدار مشخصی، شیر خروجی تله سرد را باز می کنند و گازهای جمع شده داخل تله به همراه میزان کمی گاز UF6 که مقدار آن برابر فشار بخار UF6 در دمای تله سرد می باشد از تله سرد خارج می شوند. گاز UF6 و HF بسیار سمی و خورنده می باشند و صدمات جبران ناپذیری را به پمپ ها و محیط زیست وارد می کند. جهت جلوگیری از آلودگی محیط زیست و همچنین صدمه دیدن پمپ ها باید این مقادیر کم گاز های UF6 و HF موجود در گاز خروجی از تله سرد حذف شوند. بنابراین جریان گاز قبل از ورود به پمپ وارد تله های شیمیایی می شود تا در آنجا در اثر جذب سطحی، گازهای مورد نظر حذف گردند.
تله های شیمیایی معمولا در صنایع غنی سازی استفاده می شوند تا مقادیر کم باقیماندهی هگزا فلورید اورانیوم و فلورید هیدروژن را از جریان های گازی، خارج کند. سودمندی تله های شیمیایی به طور وسیعی بستگی به ماده جاذب ویژه ای دارد که استفاده می شود. متاسفانه انتخاب جاذب مناسب به راحتی امکان پذیر نیست و بایستی توسط مقایسه چند عامل عملکرد، انتخاب کرد. افت فشار، ظرفیت جاذب، سرعت واکنش، احیا جاذب و تاثیر اجزا جاذب از قبیل مهمترین پارامترهایی هستند که ممکن است تاثیر یکی یا دو تا از آن ها در مقایسه کلی اهمیت بیشتری داشته باشند. برای مثال، کاهش فشار ممکن است مهمترین عامل در انتخاب سیستم هایی باشد که در شرایط عملیاتی فشار کم کار می کنند و یا بازیافت ماده جذب شده در سیستم هایی که در آن مقدار زیادی اورانیوم مجبور است در تله ها به دام بیافتد.
بررسی انواع جاذب مورد استفاده در سیستم غنی سازی اورانیومدر صنعت غنی سازی جهت جذب مقدار کم هگزا فلورید اورانیوم و فلورید هیدروژن خروجی از تله سرد از جاذب هایی مانند کربن فعال، سدیم فلوراید (NaF) و آلومینا(Al2O3) استفاده می شود. در این قسمت به اختصار مزایا و معایب این جاذب ها مورد بررسی قرار میگیرد.
در مجموعه غنی سازی NEF کربناکتیو و آلومینا در تلههای شیمیائی بین تلههای سرد و پمپهای خلا استفاده میشود، در حالی که در تلههای شیمیائی دامپ اضطراری از قرصهای NaF استفاده میگردد. علی رغم مزیت های بارز کربن اکتیو و آلومینا نسبت به سدیم فلوراید، به دلیل ویژگی های خاص این ماده و نیز وظایف خط دامپ به عنوان یک مسیر اضطراری در زنجیره های غنی سازی، در این خطوط تنها می توان از سدیم فلوراید به عنوان جاذب استفاده کرد. دلیل اصلی انتخاب سدیم فلوراید اینست که گرمای جذب UF6 بدلیل جذب فیزیکی در حد گرمای چگالش می باشد و می توان حجم زیادی از اورانیوم را در معرض آن قرار داد و چون در دامپ مجموعه غنی سازی احتمال وجود ناگهانی حجم زیادی از UF6 وجود دارد از جاذب NaF استفاده می گردد. جاذب فلورید سدیم در صنعت به صورت قرص های سفید وجود دارد و می توان با افزایش دما تا 650 0F جاذب را احیا کرده و UF6 را از سطح آن جدا کرد. NaF تا 50 مرتبه قابلیت احیاء و استفاده دوباره را دارد. دمای مناسب جذب UF6 روی فلورید سدیم حدود 200 0F می باشد زیرا در دماهای کمتر تشکیل بای فلورید مانع از جذب مناسب اورانیوم می شود.
از معایب جاذب NaF اینست که پس از جذب UF6، پودر می شود و همراه جریان خروجی از تله شیمیایی خارج شده و علاوه بر خارج کردن اورانیوم، ذرات NaF که سمی نیز می باشند از مجموعه خارج شده و باعث آلودگی محیط زیست می شوند.
جاذب آلومینا (Al2O3) نیز به دلیل جذب خوب HF در تله های شیمیایی کاربرد دارد. جذب UF6 روی آلومینا به صورت شیمیایی بوده و احیاء جاذب مشکل تر از فلورید سدیم می باشد. در جذب ترکیب HF و UF6روی آلومینا ابتدا HF با آلومینا واکنش داده و تولید آب و AlF3 می کند. AlF3 تولید شده خرد میشود و باعث تخریب جاذب می گردد. آب تولیدی با UF6 واکنش داده و تولید UO2F2 جامد می کند که روی آلومینا می نشیند و از تخریب آن جلوگیری می کند. وجود مقدار زیادی آب باعث انجام سریع واکنش شده و حفره ها به سرعت توسط UO2F2 مسدود میشوند و بازدهی جاذب به شدت کاهش می یابد. مقدار مناسب آب حدود 4-3 درصد می باشد. از معایب جاذب آلومینا در تله های شیمیایی جذب ضعیف UF6 نسبت به جاذب های کربن فعال و فلورید سدیم می باشد.
کربن فعال و فلورید سدیم جاذب های مناسبی برای جذب UF6 بوده و در ادامه به توضیحات بیشتری در مورد این دو جاذب پرداخته می شود.
کربن فعالکربن فعال یک نوع جاذب قوی با جذب سطحی فوق العاده می باشد و در هیچ حلال شناخته شده ای حل نمی شود و برجسته ترین ویژگی های آن حذف انتخابی آلایندههاست و در برخی موارد برای بازیافت مواد نیز بکار می رود. میزان جذب زغال فعال به اندازه ساختار منافذ کربن و توزیع اندازه منافذ و همچنین اندازه و شکل مولکولهای آلاینده بستگی دارد. کربن های فعال شده محصولات پیچیده ای می باشند و طبقه بندی بر اساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده سازی آن مشکل می باشد. هرچند یک سری طبقه بندی براساس مشخصات فیزیکی به صورت زیر انجام شده است:
کربن فعال پودری (دارای اندازه کمتراز 100 نانومتر و میانگین قطری بین 15 تا25 میکرومتر می باشد)
کربن فعال گرانولی (دارای اندازه ای بزرگتر از کربن فعال پودری می باشد)
کربن فعال کروی
کربن فعال تزریق شدهکربن روکش شده با پلیمرها
استاندارد جذب برای کربن فعال مورد استفاده اینست که بتواند تا حدود 20% وزنی گاز سیانوژن کلراید را جذب نماید. اگر کربن فعال تازه باشد و در معرض رطوبت قرار نگرفته باشد خواهد توانست تا 40% وزنی سیانوژن کلراید را جذب نماید. تعداد زیادی از گازهای سمی را میتوان با گذراندن از کربن فعال از هوا جدا کرد. این خاصیت برای مواد شیمیایی با وزن مولکولی بالا موثر می باشد. مواد سبک مانند مونوکسید کربن را نمی توان به راحتی به کمک کربن فعال جدا نمود اما میتوان با تزریق یک سری مواد شیمیایی مانند نمک های نقره، مس و کروم به کربن فعال قابلیت جذب اینگونه مواد را در کربن فعال ایجاد نمود و قدرت بازدارندگی کربن فعال را بالا برد.
مراحل تولیدکربن فعال از پیرولیز مواد کربنی از قبیل چوب، زغال سنگ و هسته میوه ها یا پلیمر های مصنوعی از قبیل ریون و فنولیک حاصل می گردد و در مراحل بعدی تحت عملیات فعال سازی قرار می گیرد. پیرولیز مواد کربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکول های غیر آلی می شود که یک ماده قیری شکل حاوی مواد گاز دار خواهد بود و در نهایت یک جسم جامد کربنی از آن ایجاد خواهد شد. جسم تولید شده دارای تعداد زیادی حفره های بزرگ و دارای سطح ویژه ای در حد چندین متر مربع بر گرم می باشد.
Tagged: Tags پایان نامه پایان نامه طراحی مدل پایان نامه نظام اندازه گیری
برچسب:
نویسنده: سپیده نعمتی