در این مطالعه فرایند جذب سطحی گاز طبیعی متشکل از 4 جزء h_2 o، ?co?_2، ch_4 و n_2 در یک بستر پر شده از جاذب زئولیتa 5 مورد بررسی قرار گرفته است. با استناد به مطالعات پیشین از حل معادلات بقای انرژی و مومنتم صرف نظر شده است و فرایند هم فشار و هم دما فرض شد. شبیه سازی فرایند شامل حل همزمان معادلات بقای جرم در بستر قرص و کریستال است. با استناد به مطالعات پیشین برای حل معادلات قرص از مدل نفوذ استفاده شده است. به کارگیری این مدل باعث پیچیدگی و زمان بر شدن حل می شود. زیرا در هر نقطه گسسته از بستر معادلات قرص برای هر جزء باید به طور کامل حل شود. در این مطالعه سعی شد با انتخاب روش عددی مناسب برای حل معادلات، تا حدی به کاهش زمان برای شبیه سازی فرایند کمک شود زیرا روش های عددی بر دقت و زمان اجرا تاثیر گذارند. به این منظور دو روش عددی اختلاف محدود و اورتوگونال کولوکیشن جهت شبیه سازی به کار گرفته شدند. روش اورتوگونال کولوکیشن برای حل معادلات غیر خطی مناسب است و در تعداد نقاط کولوکیشن کمتر از روش های معمول مانند اختلاف محدود، حجم محدود و... قادر به پیش بینی صحیح نتایج هستند. نتایج نشان داد که روش اورتوگونال کولوکیشن برای حل معادلات قرص مناسب تر از روش اختلاف محدود است و همچنین روش اختلاف محدود جهت حل معادلات بستر مناسب تر از روش اورتوگونال کولوکیشن است. به همین دلیل از روش ترکیبی (روش اورتوگونال کولوکیشن برای حل معادلات قرص و روش اختلاف محدود برای بستر) برای شبیه سازی فرایند استفاده شد. سپس به بررسی اثر پارامترهای عملیاتی مختلف مانند سرعت جریان ورودی، دما، ترکیب درصد اولیه اجزا و نوع جاذب بر نتایج مدل پرداخته شد.

یکی از مهمترین چالش ها در زمینه مطالعات جریان های دوفازی گاز- مایع پیش بینی صحیح افت فشار و مقدار ماندگی مایع در خطوط لوله می باشد. با توجه به اینکه در تمامی مدلهای پدیده شناختی سطح تماس گاز- مایع یکی از موثرترین پارامترها در پیش بینی مقدار افت فشار و ماندگی مایع می باشد، مهمترین هدف در تحقیق پیشرو مدلسازی سطح تماس مایع-گاز بین رژیم جریان لایه ای و حلقوی به طور پیوسته در جهت پیش بینی شکل سطح تماس و محاسبه مقدار ماندگی مایع می باشد. برای دست یابی به این هدف، ابتدا به مطالعه آزمایشگاهی رفتار سطح تماس گاز- مایع در شرایط عملیاتی متفاوت پرداخته شده است. سپس علت تشکیل انحنا در سطح مایع در محدوده رژیم های جریان لایه ای و حلقوی مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق دو فرضیه در ارتباط با مشاهده چنین رفتاری از مایع مطرح و بررسی شد. وجود تنش بین لایه های مایع که به دلیل توزیع نامتقارن سرعت وجود می آید به همراه رد وبدل شدن دبی مشخصی از مایع بین لایه های آن به عنوان فرضیه های اصلی مطرح و مورد بررسی قرار گرفتند. سپس فضای مایع به تعدادی مشخص حجم کنترلی تقسیم و معادله بقای مومنتوم برای هر حجم کنترلی برقرار گردیده است. با حل همزمان معادلات حاصل شده توزیع سرعت و در نهایت شکل سطح تماس و مقدار ماندگی مایع قابل محاسبه خواهد بود. نتایج حاصل از مدلسازی با داده های آزمایشگاهی برای لوله هایی به قطر 25، 50 و78 میلیمتر مقایسه و همپوشانی مناسبی بین داده های آزمایشگاهی و نتایج مدلسازی حاصل شده است. قابل ذکر است که علاوه بر نتایج آزمایشگاهی دستگاه جریان دوفازی که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است، از داده های موجود در منابع نیز استفاده شده است.

یکی از مهمترین چالش ها در زمینه مطالعات جریان های دوفازی گاز-مایع پیش بینی صحیح افت فشار و مقدار ماندگی مایع در خطوط لوله می باشد. پیش بینی صحیح افت فشار و ماندگی مایع بویژه در گستره وسیعی از سرعت های گاز و مایع و در نتیجه گستره وسیعی از ماندگی مایع از اهمیت بسیاری در فرآیند طراحی خطوط لوله انتقال گاز برخوردار است. مهم ترین هدف در این تحقیق توسعه مدل جدیدی براساس قوانین فیزیکی حاکم بر مسئله جریان دوفازی و اصلاح روابط ضرایب اصطکاک و سطح تماس گاز-مایع می باشد. در جهت کمک به توسعه مدل یک سامانه آزمایشگاهی برای جمع آوری برخی داده های افت فشار طراحی و مورد استفاده قرار گرفته است. چگونگی قرار گرفتن گاز و مایع در خط لوله و در نتیجه سطح تماس دو فاز بحث بسیار مهمی است که اگر به شیوه مناسب و براساس مفاهیم فیزیکی در نظر گرفته نشود موجب ناکارآمدی مدل می شود. در این مدل جریان گاز عامل اصلی جهت ایجاد انحنا در سطح تماس گاز-مایع در نظر گرفته شده است. هنگامی که سرعت گاز بسیار ناچیز باشد سطح تماس دو فاز به صورت صاف خواهد بود. افزایش سرعت گاز درون خط لوله موجب می شود که سرعت لایه های مایع در تماس با گاز به سرعت گاز نزدیک شود. ولی لایه های مایع نزدیک به دیواره به دلیل اصطکاکی که با دیواره دارند نمی توانند افزایش سرعت داشته باشند، بنابراین در این لایه ها هد سرعت به فشار استاتیک تبدیل می شود و این لایه ها در کناره دیواره ارتفاع می گیرند. بنابراین سطح تماس حالت صافی خود را از دست می دهد و انحنادار می شود. سطح تماس درنظر گرفته شده در این مدل علاوه بر داشتن مبنای فیزیکی، توسط مشاهدات آزمایشگاهی و تجربی نیز مورد تأیید قرار گرفته شده است. علاوه بر پیش بینی صحیح سطح تماس دو فاز، پیش بینی صحیح ضرایب اصطکاک از عوامل بسیار مهم در ارائه نتایج موفق توسط یک مدل است. در این تحقیق مقایسه بسیار کاملی بین روابط ضرایب اصطکاک انجام و برخی اصلاحات جهت ارائه نتایج بهتر بر روی این روابط انجام شده است. مقایسه نتایج مدل جدید با برخی مدل های مشهور ارائه شده در پیش بینی داده های تجربی موجود در منابع نشان می دهد که مدل جدید در مجموع قادر به ارائه نتایج بهتری نسبت به سایر مدل ها می باشد. داده های تجربی جمع آوری شده در منابع داده-های افت فشار و ماندگی مایع در شرایط مختلف شامل قطرهای متفاوت لوله و سیال های مختلف مورد استفاده برای فازهای گاز و مایع را در بر می گیرد. با وجود اینکه در توسعه مدل ارائه شده فقط از داده های افت فشار برای سیستم آب-هوا در لوله ای به قطر 1 اینچ استفاده شده است، ولی این مدل برای اکثر شرایط مورد بررسی نسبت به سایر مدل ها پیش بینی های قابل قبول-تری دارد. از دیگر ویژگی های مدل ارائه نتایج بهتر برای شرایط ماندگی مایع بالا در خط لوله است. این امر در پیش بینی داده-های ماندگی مایع سلیمانی و طلایی (سلیمانی & طلایی, 1389) مشهود است. مدل جدید همچنین قادر به پیش بینی مرز تغییر رژیم از جریان لایه ای به حلقوی با دقت بسیار بهتری نسبت به سایر مدل هایی که توانایی پیش بینی این مرز را دارند می باشد.

در این پژوهش، به مطالعه آزمایشگاهی و شبیه‎سازی مولکولی جذب گازهای گلخانه‎ای از قبیل دی‎اکسیدکربن و دی‎اکسیدگوگرد بر جاذب های کربنی (گرافیت و نانولوله‎های کربنی تک‎جداره) پرداخته شده‎است. در بخش آزمایشگاهی، هم‎دماهای جذب دی‎اکسیدکربن خالص بر نانولوله‎های کربنی بدون گروه عاملی و عامل‎دار (شامل 73/2 درصدوزنی گروه عاملی کربوکسیلی) در دو دمای 298 و 313 کلوین به‎دست آمد. مطابق نتایج، جذب دی‎اکسیدکربن بر نانولوله‎های کربنی ساده و عامل‎دار در دمای 298 کلوین و فشار 3 بار، حدود 1/2 میلی‎مول بر گرم جاذب می‎باشد. بنابراین، حضور 73/2 درصد وزنی گروه عاملی کربوکسیلی تاثیر چندانی بر میزان جذب و رفتار هم‎دماهای جذب دی‎اکسیدکربن بر نانولوله‎ کربنی ندارد. در بخش محاسباتی، از روش شبیه‎سازی مولکولی مونت‎کارلوی بندادی بزرگ (gcmc ) برای بررسی فرایند جذب سطحی دی اکسیدکربن و دی اکسیدگوگرد خالص و مخلوط دوتایی آنها بر گرافیت و نانولوله‎ استفاده شد. در بررسی جذب بر نانولوله‎، شبیه‎سازی‎ها بر اساس دو الگوی: 1) جذب درون و 2) جذب همزمان درون و بیرون نانولوله انجام شد. در این شبیه‎سازی‎ها تأثیر دما، غلظت گروه های عاملی جاذب، نوع میدان نیروی مولکول های جذب شونده، نوع جاذب (گرافیت یا نانولوله) و قطر نانولوله بر میزان جذب و رفتار هم دمای جذب مورد مطالعه قرارگرفت. مطابق نتایج، با افزایش دما میزان جذب بر نانولوله و گرافیت کاهش می یابد. برای جذب درون نانولوله (الگوی اول) غلظت گروه های عاملی بر میزان و رفتار جذب بی تاثیر می باشد. برای جذب مولکول ها همزمان درون و بیرون نانولوله (الگوی دوم) با افزایش غلظت گروه های عاملی در فشارهای پایین، میزان جذب، به‎ویژه برای دی‎اکسیدگوگرد، افزایش می یابد. به‎عنوان مثال، در فشار 3 بار، میزان جذب دی‎اکسیدگوگرد بر نانولوله کربنی عامل‎دار (شامل 19/8 درصد کربوکسیل)، در مقایسه با نانولوله بدون گروه عاملی، 22/42 درصد بیشتر می‎باشد. درحالی که در فشارهای بالا، همراه با افزایش میزان مولکول های جذب شده، نقش گروه های عاملی کم می شود. مقایسه هم دماهای جذب مولکول های دی اکسیدکربن و دی اکسیدگوگرد با دو مدل پتانسیل کروی و غیرکروی نیز حساسیت بالای نتایج شبیه سازی را نسبت به نوع میدان نیرو تائید کرد. همچنین نتایج نشان داد که قطر نانولوله نقش مهمی بر میزان جذب و سازوکار جذب درون نانولوله ایفا می کند. در ادامه این تحقیق، میزان جذب و انتخاب پذیری دی اکسیدکربن و دی اکسیدگوگرد در سامانه های دوتایی دی اکسیدکربن/دی اکسیدگوگرد بر نانولوله و گرافیت شبیه‎سازی شد و تاثیر دما، کسرمولی دی اکسیدکربن و قطر نانولوله بر انتخاب پذیری دی اکسیدگوگرد موردمطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش کسرمولی دی اکسیدکربن، انتخاب‎پذیری دی‎اکسیدگوگرد افزایش می‎یابد، درحالی‎که افزایش دما و قطر نانولوله منجر به کاهش انتخاب پذیری دی اکسیدگوگرد می‎شوند. از مقایسه نتایج شبیه سازی جذب آرگون، دی‎اکسیدکربن و دی اکسیدگوگرد خالص بر گرافیت با نتایج آزمایشگاهی به دست آمده برای این سامانه‎ها توسط دیگر محققان برای تائید برنامه شبیه سازی توسعه داده شده، استفاده شد. نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی به دست آمده در این مطالعه برای جذب سامانه خالص دی اکسیدکربن بر نانولوله کربنی تک جداره در دو دمای 298 و 313 کلوین نیز از توافق بالایی برخوردار بود.

در تحقیق حاضر ظرفیت جذب بخار آب بر روی نانولوله های کربنی عامل دار شده در غلظت های پایین بخارآب مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور گروه عاملی سولفونیک اسید جایگزین گروه عاملی هیدروکسیل که بر روی نانولوله ی کربنی خریداری شده وجود داشت، گردید. آزمایش های جذب سطحی در سامانه ی آزمایشی نشان داد که ظرفیت جذب بخارآب برای نانولوله ی کربنی هیدروکسیل دار و نانولوله ی کربنی سولفونیک اسید دار در غلظت های بالای بخار آب به ترتیب 6/2 و 8/7، و در غلظت های پایین بخارآب به ترتیب 31/0 و 01/1 میلی مول بر گرم می باشد. علت عدم بهبود ظرفیت جذب در غلظت های پایین بخار آب را می توان به تشکیل پیوند هیدروژنی بین گروه های عاملی سولفونیک اسید نسبت داد. به منظور جلوگیری از تشکیل پیوند هیدروژنی بین گروه های سولفونیک اسید، از ذرات فلزی پالادیم با میدان الکترواستاتیکی قوی در ساختمان نانولوله استفاده شد. ایزوترم های جذب سطحی نانولوله ی کربنی خریداری شده با گروه عاملی هیدروکسیل، نانولوله ی کربنی اصلاح شده با گروه عاملی سولفونیک اسید، نانولوله ی کربنی اصلاح شده با گروه عاملی سولفونیک اسید و فلز پالادیم و نانولوله ی کربنی هیدروکسیل دار اصلاح شده با پالادیم در دو دمای 15 و 24 درجه ی سانتیگراد و در فشار اتمسفریک در یک سامانه ی آزمایشگاهی ناپیوسته به دست آمد. نتایج نشان داد ظرفیت جذب بخار آب در دو دمای 15 و 24 درجه ی سانتیگراد و در رطوبت نسبی 20% به ترتیب 5/0 و 21/0، 1/1 و 7/0، 7/2 و 1/4، 22/0 و 20/0 میلی مول بر گرم می باشد. نتایج نشانگر آن است که فلز پالادیم با جداکردن گروه های سولفونیک اسید از یکدیگر سبب افزایش میزان جذب بخارآب می شود و تمایلی به جذب مولکول های بخارآب ندارد. همچنین در این پژوهش معادلات جذب سطحی متعددی با داده های آزمایشگاهی تطبیق داده شد. بهترین تطبیق با مدل های cimf و bet اصلاح شده صورت گرفت. کاربری این مدل ها با ضرائب همبستگی و پارامترهای معنادار ارزیابی شد.