وزني 119
نمودار 4 28 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 30 درصد وزني 119
نمودار 4 29 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 40 درصد وزني 120
نمودار 4 30 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 50 درصد وزني 120
نمودار 4 31 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 60 درصد وزني 120
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 1 1 : شماتیکی از تشکیل هیدرات در جداره لوله 9
شکل 1 2 : ساختار کریستال پایه برای یخ 4I 13
شکل 1 3 : پیوند هیدروژنی میان پنج مولکول آب و تشکیل یک حلقه 5 مولکولی 14
شکل 1 4 : تشکیل پیوند هیدروژنی میان دو مولکول آب 14
شکل 1 5 : ساختار I 15
شکل 1 6 : ساختار II 16
شکل 1 7 : ساختار H 16
شکل 1 8 : ساختارهای مختلف هیدرات گازی 17
شکل 1 9 : مقایسه اندازه مولکولهای مهمان، نوع هیدرات و حفره‌های اشغال شده 18
شکل 1 10: دستگاه‌های تولید هیدرات گاز طبیعی 22
شکل 1 11: دستگاه‌های تجزیه هیدرات 22
شکل 1 12 : منحنی وابستگي هيدرات به دما و فشار 24
شکل 1 13 : انواع افزودنی‌های هیدرات 27
شکل 1 14 : مکانسیم بازدارندگی از تشکیل هیدرات 30
شکل 1 15 : ساختار هیدرات به وجود آمده با تترا هیدرو فوران 30
شکل 2 1 : هزینه انتقال گاز در فواصل مختلف با روش‌های مختلف 41
شکل 2 2: نمودار فازي براي برخي از هيدروکربن گاز طبيعي ساده که هيدرات تشکيل می دهند 44
شکل 2 3 : نمودار هیدرات برای سه مخلوط مورد بررسی ویلکاکس و همکاران 46
شکل 3 1 : فرآیند ساده شده یک واحد نم‌زدایی از طریق گلایکول 57
شکل 3 2 : فرآیند ساده شده یک واحد خشک کن جامد به همراه دو برج 58
شکل 3 3 : فرآیند جریان ساده شده برای یک واحد تبرید به همراه تزریق گلایکول 60
شکل 3 4 : شمای کلی تغییرات دما در فاز مایع و کریستال هیدرات 61
شکل 3 5 : پروفایل غلظت در مسیر نفوذ گاز تا رسیدن به سطح هیدرات 62
شکل 3 6 : شماتیک مدل ارائه شده در حال تشکیل هیدرات 66
شکل 3 7 : شماتیک مکانیزم پیشنهادی تشکیل هیدرات از یک قطره آب 66
شکل 3 8 : شماتيكي از مدل لوله به همراه شرايط مرزي 78
شکل 3 9 : شماتیکی از مش بندی شبکه لوله 82
شکل 3 10 : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده خطی 83
شکل 3 11 : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده غیر خطی 83
شکل 3 12 : گرافیک جریان‌های عبوری و ته نشین شدن ذرات هیدرات 83
شکل 3 13 : شماتیک فرآیند انتقال گاز در یک شبکه گاز 84
شکل 3 14 : نتایج اجرای شبیه سازی شبکه گاز با استفاده از نرم افزار PipePhase 87
شکل 4 1 : فرآیند هم فشار و هم دما برای تشکیل هیدرات 97
شکل 4 2 : پروفایل غلظت پیشنهادی مولکولهای گاز در فرآیند تشکیل هیدرات 98
شکل 4 3 : گرافیک و الگوی جریان ته نشین شدن ذرات جامد (هیدرات) در کف لوله 104
شکل 4 4 : گرافیک و مقادیری از کسر حجمی فاز جامد دیسپرس شده 105
شکل 4 5 : گرافیک پروفایل سرعت و جهت آن درون لوله 105
شکل 4 6 : گرافیک پروفایل فشار و میزان آن در نقاطی از لوله 106
شکل 4 7 : گرافیک پروفایل فشار در کل مخلوط و میزان آن در نقاطی از لوله 106
شکل 4 8 : گرافیک پروفایل دما درون لوله 106
شکل 4 9 : گرافیک پروفایل غلظت فاز پراکنده درون لوله 107
شکل 4 10 : گرافیک پروفایل سرعت لغزش مخلوط درون لوله 107
شکل 4 11 : مقاطع انتخاب شده برای بررسی پارامترهای مختلف 108
چکیده :
امروزه يکي از معضلات در خطوط انتقال گاز، پديده هيدرات گازي است که ترکيبي از گازهاي سبک مثل متان، اتان يا دي اکسيد کربن با مولکول‌هاي آب تحت شرايط خاص دمايي و فشاري ماده‌اي شبيه به يخ را تشکيل ميدهد که حجم زيادي از گاز را در خود جاي داده است. هيدارت هاي گازي عموماً ته نشين شده و در نهايت توان عملياتي خط را کاهش داده يا حتي به انسداد کلي خط لوله منجر مي شود. بررسي پارامترها، متغييرها و عوامل تأثير گذار تشکيل و حذف پديده بسيار حائز اهميت مي باشد که در اين پژوهش ابتدا مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته و سپسس سه وضعيت قبل، بعد و حين تشکيل هيدرات بررسي شده است. در قبل، نگاهي به روش‌ها، فرآيند‌ها، مزايا و معايب واحدهاي نم‌زدايي گاز شده است. مقاومت‌هاي انتقال جرم و حرارت در حين پيدايش نيز بررسي کامل شد و نشان داد که نرخ تشکيل هيدرات توسط مکانيسم انتقال جرم کنترل شده و هر‌چه انتقال حرارت سريعتر انجام گيرد هيدرات تشکيل شده پايدارتر است. سپس با يک مدلسازي ميدان توزيع سرعت، فشار، دما، کسرحجمي براي سيال و همچنين توزيع غلظت ذرات جامد در يك جريان آرام دو فاز گاز- جامد در داخل يك لوله افقي، توسط بسته نرم‌افزاري كامسول(COMSOL Multiphysics) شبيه سازي شده است. نتايج حاصل از شبيه سازي نشان ميدهد که كاهش سرعت متوسط منجر به كاهش نيروهاي پراكنده كننده شده و نهايتاً غلظت بيشتر ذرات جامد در كف لوله را سبب مي‌شود.
واژه‌هاي كليدي: هيدرات گازي، نم‌زدايي گاز، مدلسازي و شبيه سازي هيدرات
پیشگفتار
گاز طبیعی منبع انرژی تقریباً پاکیزه، فراوان و ارزان قیمتی است که هم اکنون نیز به مقیاس وسیع برای مصارف صنعتی و خانگی به کار رفته و در طی دهه‌های آینده بهره‌برداری از آن گسترش خواهد یافت. در توسعه اقتصادی جهان، مناطق و کشورهای مختلف، به دلیل منابع و ذخایر عظیم در دسترس و توسعه تکنولوژی‌های خلاق، باعث کاهش هزینه‌ها و زمان اجرای پروژه‌ها و در نتیجه بهبود اقتصاد پروژه‌های توسعه و انتقال گاز شده است. همچنین تلاش جهانی برای کاهش گازهای گلخانه‌ای و گاز CO2 مزیت استفاده از گاز طبیعی در مقایسه با سایر سوخت‌ها را نشان می‌دهد.
امروزه در خطوط انتقال گاز پدیده هیدرات گازی که ترکیبی از گازهای سبک مثل متان، اتان یا دیاکسیدکربن است که تحت یک شرایط خاص دمایی و فشاری با مولکولهای آب ترکیب شده و ماده‌ای شبیه به یخ را تشکیل می‌دهد، که حجم زیادی از گاز را در خود جای داده است. هیدرات های گازی ته نشین شده در نهایت توان عملیاتی ممکن را کاهش داده یا حتی به انسداد کلی خط لوله منجر می شود. بررسی پارامترها، متغییرها و عوامل تأثیر گذار تشکیل و حذف پدیده بسیار حائز اهمیت می باشید. این پژوهش در سه بخش قبل، هنگام تشکیل و بعد از تشکیل هیدرات تقسیم شده است تا بتواند همه پارامترها را بررسی کند. هنگام پیدایش به دو بخش: مقاومت های حین شروع پدیده و پیدایش مستمر پدیده نگاهی جامع داشته است. بررسی مقاومت های انتقال حرارت و جرم حین شروع، مدلسازی قطاعی از لوله درحال تشکیل هیدرات و شبیه سازی یک شبکه گازرسانی توانست نتایجی کاملی از پدیده هنگام تشکیل به ما ارائه کند. انتخاب بازدارنده مناسب با ساختارهای نمک و گلایکولی نیز بررسی گردیده است.
فصل اول
هیدرات گازی و عوامل مؤثر در آن
هیدرات
هیدراتهای گازی ترکیبات جامد کریستالی هستند که جزء خانواده اندرون گیر‌ها یا کلاترات1 به حساب می‌آیند. اندرون گیر یک ترکیب ساده است که یک مولکول از ماده‌ای (مولکول مهمان2) در شبکه ساخته شده از مولکول ماده‌ای دیگر (مولکول میزبان3) به دام میافتد. اندرون گیر مربوط به آب، هیدرات نامیده میشود. در ساختمان آنها مولکولهای آب به علت داشتن پیوند هیدروژنی با به وجود آوردن حفره‌هایی تشکیل ساختار شبه شبکه‌ای میدهند. این شبکه که ناپایدار است به عنوان شبکه خالی هیدرات شناخته میشود که در دما و فشار خاص (در دمای پایین و فشار بالا) با حضور اجزاء گازی مختلف با اندازه و شکل مناسب، می‌تواند به یک ساختار پایدار تبدیل شود. در این نوع از کریستال‌ها، هیچ نوع پیوند شیمیایی بین مولکولهای آب و مولکولهای گاز محبوس شده تشکیل نمی‌شود و تنها عامل پایداری کریستال‌ها به وجود آمدن پیوند هیدروژنی بین مولکولهای میزبان (مولکولهای آب) و نیروی واندروالسی است که بین مولکولهای میزبان و مولکولهای مهمان (مولکولهای گاز) به وجود می‌آید]1-3[.
ساختار هیدرات شبیه به یخ است با این تفاوت که کریستال هیدرات می‌تواند در دمای بالاتری نسبت به نقطه ذوب یخ، در شرایطی که فشار بالاتر از فشار محیط باشد پایدار بماند و ذوب نشود. از موارد دیگری که باعث شباهت بین کریستال هیدرات و یخ میشود افزایش حجم و آزاد شدن گرما به هنگام تشکیل میباشد.
تشکیل هیدرات ها
تشکیل هیدراتها نتیجۀ پیوند هیدروژنی است. پیوند هیدروژنی سبب میشود که مولکولهای آب در جهات منظم قرار گیرند. وجود ترکیبات خاصی موجب پایدار شدن مولکولهای منظم و رسوب مخلوط جامدی میشود. مولکولهای آب، مولکولهای میزبان نیز خوانده میشوند و ترکیبات دیگری که کریستال را پایدار میکنند، مولکولهای مهمان نامیده میشوند. در این پژوهش، مولکولهای مهمان در اغلب موارد به نام “تشکیل دهندهها4” خوانده میشوند. کریستالهای هیدرات ساختارهای سه بعدی پیچیدهای دارند که در آن مولکولهای آب بهصورت قفس عمل میکند و مولکولهای مهمان در این قفسها به دام میافتند.
پایداری ناشی از مولکولهای مهمان به وجود نیروهای واندروالسی5 نسبت داده شده که بهدلیل جاذبۀ بین مولکولهاست نه جاذبۀ الکترواستاتیک. همان طور که پیشتر نیز شرح داده شد، پیوند هیدروژنی با نیروهای واندروالسی متفاوت است، زیرا پیوند هیدروژنی بر اساس جاذبه الکترواستاتیک قوی است، هر چند برخی، پیوند هیدروژنی را به عنوان نیروی واندروالسی طبقه بندی میکنند.
یکی دیگر از نکات جالب توجه در مورد هیدراتهای گاز این است که هیچ پیوندی بین مولکولهای مهمان و میزبان وجود ندارد. مولکولهای مهمان آزادانه درون قفسهای ساخته شده بهوسیله‌ی مولکولهای میزبان میچرخند. این چرخش از طریق ابزار طیفسنجی اندازه گیری شده است. بنابراین این ترکیبات را میتوان بهصورت محلول‌های جامد تعریف کرد.
شرایط تشکیل هیدرات
تشکیل هیدرات نیازمند سه شرط است:
1- ترکیب مناسب دما و فشار دمای کم و فشار زیاد برای تشکیل هیدرات شرایط مطلوبی است؛
2- وجود تشکیلدهندۀ هیدرات: تشکیلدهندههای هیدرات عبارتند از: متان، اتان، پروپان، ایزوبوتان، سولفید هیدروژن و دیاکسیدکربن؛
3- آب کافی، نه بیش از حد و نه خیلی کم.
دمای کم و فشار زیاد شرایط مطلوبی برای تشکیل هیدرات است. دما و فشار دقیق، به ترکیب گاز بستگی دارد. هیدراتها در دمایی بیشتر از صفر درجۀ سلسیوس نقطۀ انجماد آب، شکل می‌گیرند.
برای جلوگیری از تشکیل هیدرات صرفاً باید یکی از سه شرط مذکور را از بین برد. بهطور معمول نمی‌توان تشکیلدهندههای هیدرات را از مخلوط حذف کرد. در مورد گاز طبیعی، تشکیلدهندههای هیدرات، محصولات مطلوبی هستند. بنابراین با از بین بردن دو شرط دیگر میتوان از تشکیل هیدرات جلوگیری کرد]4-6[.
فاکتورهای مؤثر در تشکیل هیدرات
سایر فاکتورهایی که بر روی تشکیل هیدرات اثر می‌گذارند عبارتند از:
میزان اختلاط (آشفتگی و تلاطم)، سنتیک، سطح تشکیل کریستال، مکان هسته زایی، میزان تجمع و شوری سیستم. این پدیدهها می‌تواند تشکیل هیدرات را افزایش دهد امّا برای فرآیند تشکیل ضروری نیستند. این پدیدهها امکان تشکیل هیدرات را افزایش میدهند که عبارتند از]7-11[:
1- تلاطم6
الف. سرعت زیاد
امکان تشکیل هیدرات در مناطقی که در آن سرعت سیال زیاد است، بیشتر میباشد. این مسئله موجب میشود که شیرهای اختناق7(ماسوره) مستعد تشکیل هیدرات باشند. دلیل اول این است، هنگامی که گاز طبیعی از ماسوره عبور میکند، به علت اثر ژول- تامسون8 افت دمای چشمگیری اتفاق میافتد و دلیل دوم سرعت زیاد در این شیر است.
ب. اختلاط9
اختلاط در خط لوله، مخازن فرآوری10، مبدلهای حرارتی11 و… احتمال تشکیل‌هیدرات را افزایش می‌دهد.
2- مکانهای هستهزایی12
بهطور کلی، مکان هستهزایی جایی است که در آن تغییر فاز اتفاق میافتد و در این مورد فاز سیال به جامد تبدیل میشود. برای مثال در رستورانهای تهیۀ غذای آماده برای درس
