پایان نامه ارشد : پارامترهای موثر بر ساخت نانو کاتالیست Al2O3 – γ Ir

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی شیمی 

گرایش : پیشرانه مایع

عنوان : پارامترهای موثر بر ساخت نانو کاتالیست Al2O3 – γ Ir

دانشکده شیمی و مهندسی شیمی

پایان نامه دوره کارشناسی ارشد پیشرانه مایع

عنوان:

پارامترهای موثر بر ساخت نانو کاتالیست Al2O3 – γ Ir/  برای تجزیه هیدرازین و بهینه سازی آن­ها

 اساتید راهنما:

دکتر شهرام قنبری پاکدهی

دکتر علیمراد رشیدی

استاد مشاور:

دکتر علیرضا زارعی

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)

صفحه                     عنوان     
هفت فهرست مطالب  
نه فهرست جدول­ها  
یازده فهرست شکل­ها  
1 چکیده……………………………………………………………………………………………  
۲ مروری بر منابع……………………………………………………………. فصل اول
۳ مقدمه…………………………………………………………………………………………………..
۵ معرفی سیستم پیشرانش……………………………………………………. ۱-۱-
۶ انواع تک­پیشرانه……………………………………………………………… ۲-۱-
۸ مکانیسم تجزیه تک­پیشرانه هیدرازین……………….  ۱-۲-۱ –
۹ مقدمات عمومی کاتالیست­ها……………………………………………………… ۳-۱-
۱۰ خواص کاتالیست­ها……………………………………………………………….. ۴-۱-
۱۰ ساخت کاتالیزورهای صنعتی…………………………………………………… ۵-۱-
۱۱ فاکتورهای انتخاب پایه کاتالیزور……………………………………………………………………. ۶-۱-
۱۶ دسته­بندی سیستم­های کاتالیزوری……………………………………………………………………. ۷-۱-
۱۶ طبیعت کاتالیست­های ناهمگن……………………………………………………………………… ۱-۷-۱-
۱۹ پارامترهای طراحی بستر کاتالیست……………………………………………………………….. ۸-۱-
۲۰ فعالیت کاتالیست تجزیه هیدرازین……………………………………………………………. ۹-۱-
۲۲ شناسایی روش­های ساخت کاتالیستIr/γ-Al2O3 ……………………………………….. ۱۰-۱-
۳۰ تحلیل روش­ها…………………………………………………………………………… ۱۱-۱-
۳۳ مناسب­ترین روش ساخت کاتالیستIr/γ-Al2O3…………………………………………….. ۱۲-۱-
۳۷ کاتالیست­های دو فلزی……………………………….  ……………………………. ۱۳-۱-
۳۸ ساخت کاتالیست­های نیکل بر پایه آلومینا………………………………………………………….. ۱-۱۳-۱-
۳۹ سیستم تست کاتالیست…………………………………………………………………….. ۱۴-۱-
۴۲ روش تحقیق…………………………………………………………………………. فصل دوم
۴۳ مواد مورد استفاده……………………………………………………………………… ۱-۲-
۴۷ تجهیزات مورد استفاده…………………………………………… ۲-۲-
۵۱ آنالیزهای انجام شده……………………………………………………………….. ۳-۲-
۵۵ روش انجام آزمایشات……………………………………………………….. ۴-۲-
۵۶ ساخت کاتالیست……………………………………………………………………………. ۱-۴-۲-
۵۸ روش تست کاتالیست……………………………………… ۲-۴-۲-
۵۹ نتایج و بحث…………………………………………………………. فصل سوم
۶۰ تعیین درصد ایریدیوم……………………………. ……………………………………………………………………………………………. ۱-۳-
۶۲ تعیین PH……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۲-۳-
۶۲ ساخت کاتالیست…………………………………………………………………………………………………………………………………… ۳-۳-
۶۶ بررسی پارامترهای موثر برساخت کاتالیست………………………………………………………………………………………… ۴-۳-
۶۶ نتایج حاصل از آنالیز XRD………………………………………………………………………………………………………………….. ۵-۳-
۷۴ اندازه کریستال­ها در آنالیز XRD…………………………………………………………………………………………………………. ۶-۳-
۷۹ نتایج حاصل از آنالیزBET…………………………………………………………………………………………………………………….. ۷-۳-
۷۹ نتایج حاصل از آنالیزSEM……………………………………………………………………………………………………………………. ۸-۳-
۸۲ نتایج حاصل از آنالیزEDS…………………………………………………………………………………………………………………….. ۹-۳-
۸۳ نتایج حاصل از آنالیزTPR…………………………………………………………………………………………………………………….. ۱۰-۳-
۸۴ نتایج حاصل از آنالیزTEM……………………………………………………………………………………………………………………. ۱۱-۳-
۸۵ نتایج حاصل از انجام تست­های راکتوری……………………………………………………………………………………………… ۱۲-۳-
۸۵ شرایط عملیاتی هنگام تست راکتوری………………………………………………………………………………………………….. ۱-۱۲-۳-
۸۶ نتایج حاصل از انجام تست راکتوری و آنالیزUV………………………………………………………………………………….. ۲-۱۲-۳-
۹۶ نتیجه­گیری و پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………………………  
۹۶ نتیجه­گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………………….  
۹۷ پیشنهادات……………………………………………………………………………………………………………………………………………..  
۹۹   منابع
۱۰۲   پیوست­ها
۱۰۳ پیشرفت کاتالیستی تجزیه خودبخودی هیدرازین در کشورهای مختلف…………………………………………….. پیوستالف
۱۰۶ پیشرفت کاتالیستی تجزیه غیرخودبخودی هیدرازین در کشورهای مختلف………………………………………. پیوست ب
۱۰۷ نکات ایمنی مربوط به نمک هگزا کلرو ایریدیک اسید…………………………………………………………………………. پیوست ج
۱۰۸ نکات ایمنی مربوط به هیدرازین…………………………………………………………………………………………………………… پیوست د
۱۰۸ نمودار کالیبراسیون……………………………………………………………………………………………………………………………….. پیوست ه
۱۱۰ آنالیز BET …………………………………………………………………………………………………………………………………………… پیوست و

چکیده

در این تحقیق نانو کاتالیست­های­ Ir/γ-Al2O3 و Ir-Ni/γ-Al2O3 سنتز شدند و در تجزیه­ی هیدرازین مورد بررسی قرار گرفتند. روش­های مختلف سنتز مورد بررسی قرار گرفت و روش تلقیح به دلیل هزینه و تعداد مراحل کم­تر و قطر ذرات تولیدی مناسب به نسبت سایر روش­های مورد بررسی، انتخاب شد. کاتالیست­های ایریدیوم بر پایه­ی آلومینا با استفاده از حل کردن اسید هگزاکلروایریدیک به  عنوان پیش­ماده­ی فاز فلزی فعال در آب دیونیزه و اسید کلریدریک آماده شد. قبل از اولین تلقیح، پایه در آون در دمای oC۱۲۰ به مدت ۱۶ ساعت خشک شد. بعد از هر تلقیح، نیز دانه­ها در آونی با دمای oC۱۲۰ قرار گرفتند. سپس در کوره با دمایی oC۳۸۰ و ۵۰۰ کلسینه شدند. بر روی کاتالیست­های سنتز شده، آنالیزهای SEM، TEM، XRD و TPR انجام گرفت. تست­های راکتوری برای واکنش تجزیه هیدرازین در دو دمای عملیاتی oC۱۰۰ و ۴۰ با میزان حدود ۰/۲ گرم کاتالیست انجام شد. نتایج نشان داد که کاتالیست ۲۰ درصد وزنی ایریدیوم بر پایه­ی آلومینا بالاترین راندمان در تجزیه آمونیاک را دارد. لازم به ذکر است که این تفاوت در راندمان واکنش تجزیه آمونیاک، با دو کاتالیست ۱۰ و ۳۰ درصد وزنی ایریدیوم بر پایه آلومینا مقداری ناچیز است.

مقدمه

کاتالیست­ها که برخی صنایع دنیا بر پایه­ی آن­ها استوارند، تولید بسیاری از محصولات را در طی فرآیندهای شیمیایی تسهیل می­کنند. کاتالیست­ها به علت خواص سطحی ویژه و با تعویض مسیر واکنش شیمیایی بر روی سرعت واکنش تاثیر می گذارند. با ورود فناوری نانو به صنعت تولید کاتالیست­ها، نانو کاتالیست­ها نمود بیش تری پیدا کردند. این کاتالیست­ها در اکثر موارد، خواص چشمگیری از خود نشان داده اند و پاره­ای از آن­ها به فرآیندهای صنعتی راه یافته­اند.

برخی از کاتالیست­های مورد استفاده شامل کریستال­های فلزی قرار گرفته روی پایه­ای با مساحت سطح بالا می­باشند. این کاتالیست­ها توسط تلقیح[1]پایه با محلولی از ترکیبات فلزی می­توانند تولید شوند. در طول تلقیح و خشک کردن متوالی، نمونه­های فلزی روی پایه قرار می­گیرند]۱[. (البته باید توجه داشت که روش­های متفاوتی برای ساخت کاتالیست وجود دارد که یکی از این روش­ها، تلقیح می­باشد).

استفاده از کاتالیست­ها در زمینه­ی پیشرانش[2] قبل از جنگ جهانی دوم در آلمان با تجزیه­ی کاتالیستی  H2O2  (۸۰% وزنی) از طریق تزریق نمک­های پرمنگنات آغاز شد( مثلا: واحدهای کمک برخاست برای هواپیمای He – 176، V1 catapult، (V2 turbopump. همچنین هیدروژن پراکساید به همراه نفت دیزل[3] برای اژدر و پیشران زیردریایی به کار گرفته شد. بعد از جنگ جهانی دوم، در برنامه­ی راکت UK Black  Knight ، نفت سفید[4] با H2O2  و بستر کاتالیستی تورسیمی نقره­ای به کار گرفته شد (پیشرانه­ی دو جزئی)[5]. شروع برنامه­های فضایی به جایگزینی H2O2 با هیدرازین پایدارتر که می تواند به تنهایی به عنوان تک­پیشرانه[6] استفاده شود، منجر شد؛  به منظور کنترل موقعیت (مدار) و طرز قرارگیری ماهواره­های پرتاب شده ازموتورهای خیلی ساده کوچک استفاده گردید. این موتورها تراستر نامیده شدند. امروزه نیز برای تأمین انرژی مورد نیاز تراست از تجزیه کاتالیستی تک­پیشرانه­هایی مانند هیدرازین استفاده می­شود[۲].

استفاده از تک­پیشرانه هیدرازین در سیستم­های پیشرانه­ی ماهواره­ها، افق­های فکری جدیدی را در دانش بشری باز کرده است، که مستقیما مسایلی همچون اکتشاف منابع طبیعی در فضای میان سیاره­ای و روی زمین، پیش بینی آب و هوا، ارتباطات تلویزیونی و رادیویی و ناوبری دریانوردی را تحت تاثیر قرار می­دهد[۳]. اهمیت این مساله سبب شد که مطالعه­ای پیرامون این موضوع تحت عنوان معرفی روش های ساخت، آنالیز، تعیین مشخصه و به کارگیری نانو کاتالیست Ir/ – Al2O3  برای تجزیه­ی هیدرازین، صورت گیرد. نتایج حاصل از  مطالعات و تحقیقاتی که در این زمینه شده است در فصل اول آورده شده است. علاوه بر آن در فصل اول مقدمات عمومی کاتالیست­ها مانند خواص و ترکیبات لازم برای ساخت آن­ها، پارامترهای انتخاب پایه­، مزایای استفاده از کاتالیست­های پایه­دار، تهیه­ی کاتالیزورهای فلزی روی پایه، خصوصیات گاما-آلومینا، دسته­بندی سیستم­های کاتالیزوری، روش­های تهیه­ی کاتالیزورهای ناهمگن، پارامترهای موثر بر روش ساخت کاتالیست مزبور، مقدمه­ای کلی بر انواع تراسترها و مکانیزم تراستر گرم، معرفی تک­پیشرانه­های به کار رفته در این زمینه، مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل دوم لیست مواد و تجهیزات آزمایشگاهی، روش انجام آزمایشات مربوطه، سیستم تست کاتالیست و روش آنالیز محصولات خروجی از راکتور بیان شده است. در فصل سوم نتایج و تحلیل آن­ها آورده شده است. در فصل چهارم نتیجه گیری کلی و پیشنهاداتی برای تحقیقات بعدی بیان گردیده است.     

۱-۱-معرفی سیستم­های پیشرانش

پس از پرتاب ماهواره و قرار دادن آن در یک مدار معین، سیستم ویژه­ای برای تصحیح و کنترل مدار مربوطه احتیاج می­باشد. برای این منظور از سه نوع سیستم پیشرانش استفاده می­شود: سیستم­های گاز سرد، داغ و گرم. سیستم­های گاز سرد از یک گاز خنثی استفاده می­کنند. این سیستم­ها ساده­ترین نوع سیستم پیشرانش هستند و شامل یک موتور می­باشند و بنا بر کاربردشان ممکن است به صورت چندگانه نیز ساخته شوند. در سیستم پیشرانش گاز سرد، ضخامت و به تبع آن وزن بالای مخزن ذخیره، استفاده از آن را محدود کرده است. به علاوه به دلیل اینکه فشار تانک ذخیره عموما کاهشی است( مثل خروج گاز از یک بالن) در نتیجه به مرور زمان بازدهی آن کاهش می­یابد. این سیستم­ برای کنترل مدار ماهواره­ها استفاده می­شود. امروزه از این سیستم­ها وقتی به ایمپالس و یا سطح تراست پایین احتیاج است و جایی که به کارگیری پیشرانه­های شیمیایی دیگر به دلیل مسائل ایمنی دارای مشکلات خاصی است، استفاده می­شود. سیستم­های پیشرانش گاز داغ، از اندازه بزرگتری نسبت به دیگر سیستم­های کنترل مدار برخوردار هستند و برای ماهواره­های بزرگ استفاده می­شوند. در واقع سیستم­های پیشرانش گاز داغ، دو پیشرانه­ای اند. بدلیل ایمپالس تولیدی بالاتر نسبت به سیستم پیشرانش گاز گرم، عموما وقتی به نیروی تراست بالاتر احتیاج باشد از آن­ها استفاده می­شود. سیستم­های پیشرانش گاز گرم به سیستم­های تک پیشرانه معروف هستند. دو نوع سیستم پیشرانش گاز گرم، کاتالیستی و حرارتی، وجود دارد. سیستم­های پیشرانش کاتالیستی، عموما به تامین انرژی گرمایشی نیاز ندارند، در نتیجه نسبت به سیستم تجزیه حرارتی، به تجهیزات کمتری احتیاج داشته و در بین انواع سیستم­های مورد استفاده سیستم­های ساده­تر و دارای حجم و وزن کمتری هستند. از اینرو به دلیل دارا بودن مزایای مختلف، سیستم پیشرانش کاتالیستی، سیستمی مناسب برای کنترل مدار ماهواره­ها شناخته شده است. امروزه برای عملیات حساس و مهم، که دقت قرار گرفتن ماهواره در مدار مناسب، از اهمیت خاص برخوردار است، تمایل به سیستم­های میکروپیشرانش رو به افزایش است، که این امر نیز با استفاده از سیستم پیشرانش کاتالیستی محقق می­شود[۴].

سیستم پیشرانش کاتالیستی از سه بخش عمده سیستم خوراک­دهی، بستر کاتالیستی و نازل تشکیل شده است. سیستم خوراک­دهی متشکل از مخازن خوراک و گاز فشرده برای تزریق تک پیشرانه، شیرهای کنترل و در نهایت انژکتورها می­باشد. بستر کاتالیستی حاوی کاتالیست مناسب برای تجزیه تک پیشرانه است، که عمل تجزیه کاتالیستی در آن رخ می­دهد. نازل­ها وظیفه شتاب دادن به گازهای خروجی را بر عهده دارند که در نهایت تراست مورد نظر را ایجاد کنند[۴].

پیشرانه ذخیره شده در مخازن خوراک پس از عبور از انژکتورها، در اثر برخورد با بستر کاتالیستی تجزیه شده و گازهای داغ و انرژی گرمایی تولید می­کند. گازهای داغ با عبور از نازل شتاب می­گیرند و تراست مورد نظر را ایجاد می­کنند.

۲-۱-انواع تک­پیشرانه­ها

به طور عمده هیدرازین به عنوان تک­پیشرانه استفاده شده است. هیدروژن پراکساید، اتیلن اکساید، ایزو پروپیل نیترات و نیترومتان به عنوان تک­پیشرانه مورد بررسی قرار گرفته­اند یا استفاده شده­اند[۵]. از مزایای اتیلن اکساید، پایین بودن کشش سطحی، فشار بخار و ویسکوزیته است. اتیلن اکساید به دلیل موازنه کم اکسیژن در مولکولش، عملکرد پایینی دارد. عملکرد پایین و دمای اشتعال آدیاباتیک پایین آن، باعث شده است که امروزه بیش­تر از آنکه به عنوان پیشرانه در سیستم پیشرانش کاتالیستی مورد استفاده قرار گیرد، در مولدهای گاز در راکت­ها استفاده شود[۴].

از ویژگی­های نیترومتان گرمای تشکیل نسبتا بالا، ویسکوزیته پایین و ایمپالس بالا به دلیل وجود اکسیژن بالا در مولکول آن می­باشد. نقطه انجماد آن از هیدرازین و هیدروژن پراکساید پایین­تر است. معایب آن فشار بخار بالا، ظرفیت حرارتی پایین، وجود اشکال در شروع احتراق( همراه بودن تجزیه آن با  انفجار ) و سمیت بالای آن است. این عوامل باعث شده­اند تا این ماده از عرصه کاربردهای عملی به دور نگه داشته شود[۶].

هیدروژن پراکساید غلیظ به عنوان تک­پیشرانه تولید گاز در ایالت متحده آمریکا، روسیه و آلمان در موتورهای طراحی شده قبل از ۱۹۵۵ استفاده شده است. ایمپالس ویژه تئوری هیدروژن پراکساید ۹۰ % وقتی به عنوان پیشرانه تک جزیی استفاده می­شود ۱۴۷ ثانیه است[۷]. هیدروژن پراکساید در بین تک­پیشرانه­های مذکور بالاترین دانسیته و نقطه جوش را داراست. همچنین هیدروژن پراکساید فشار بخار پایین، ظرفیت حرارتی و گرمای تشکیل نسبتا بالایی دارد. باید تجزیه آن در تمام مدت کنترل شود، زیرا در صورت تجزیه شدن در تانک ذخیره، کم کم فشار داخل تانک به دلیل تولید محصولات تجزیه افزایش یافته و حجم پراکسید هیدروژن داخل تانک کاهش می­یابد. ممکن است در اثر تولید گاز و گرما دما افزایش یافته و اگر دما به ۲۶۰ درجه سلسیوس برسد، انفجار رخ می­دهد[۴].

هیدرازین نه تنها به عنوان یک سوخت قابل ذخیره سازی عالی است، بلکه به عنوان یک تک­پیشرانه که توسط کاتالیست مایع یا جامد مناسب تجزیه می­شود نیز قابل استفاده است. این ماده بیش از ۱۵ سال در تانک­های غیر قابل نفوذ قابل ذخیره سازی است[۴].

هیدرازین به عنوان یک تک­پیشرانه در کنترل جزئی و کنترل مسیر پرتابی راکت­ها برای کنترل ماهواره­ها و دیگر فضاپیماها استفاده شده است. سیستم­های تک­پیشرانه­ی هیدرازین، به طور گسترده برای کنترل مدار ماهواره­ها و موشک­ها( حتی در اولین موشک­ها مثل دلتای V و آرین ۵ )، احتیاجات ایمپالس حدود ۱۰۰ ثانیه و کم­تر را تامین کرده است. انواع مختلف این سیستم می­توانند ضربه ویژه­ای حدود ۲۳۵-۷ ثانیه، تراستی در حد ۳۵۰-۰/۷۵ نیوتن ایجاد کنند. اما این ماده دارای معایبی است. از معایب هیدرازین، سمیت و سرطانزایی آن است که از لحاظ زیست محیطی مشکل ساز است[۴]. یخ زدگی ناخواسته هیدرازین در فضا پیما یک مشکل طراحی است. در بسیاری از موارد، گرمکن­های الکتریکی اطراف تانک­ها و خطوط انتقال پیشرانه را فراگرفته­اند تا آن­ها را گرم نگه دارند و از یخ زدگی هیدرازین جلوگیری کنند[۸]. در شکل(۱-۱) یک طراحی خاص از بستر کاتالیستی دانه­­ای[7] در راکت کنترل موقعیت و دیگر انواع موفق انژکتورهای هیدرازین آورده شده است[۷].

تعداد صفحه :137

قیمت : 14700 تومان

———–

——-

پشتیبانی سایت :               [email protected]

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  --