c (3239)

By92

c (3239)

f
معاونت پژوهش و فن آوری
به نام خدا
منشور اخالق و پژوهش
با ياري از خداوند سبحان و اعتقاد به اين که عالم محضر خداست و همواره ناظر براعمال انسان و به منظور پاس داشت مقام بلند دانش وپژوهش و نظر به اهميت جايگاه دانشگاه در اعتالي فرهنگ و تمدن بشري، ما دانشجويان و اعضا هيأت علمي واحدهاي دانشگاهي آزاد اسلامي متعهد مي گرديم اصول زير را در انجام فعاليت هاي پژوهشي مد نظر قرار داده و از آن تخطي نکنيم :
1- اصل حقيقت جويي: تلاش در راستاي پي جويي حقيقت و وفاداري به آن و دوري از هر گونه پنهان سازي حقيقت
2- اصل رعايت حقوق التزام به رعايت کامل حقوق پژوهشگران و پژوهيدگان (انسان،حيوان و نبات) و ساير صاحبان حق
3- اصل مالکيت مادي و معنوي تعهد به رعايت کامل حقوق مادي و معنوي دانشگاه و کليه همکاران پژوهش
4- اصل منافع مالي: تعهد به رعايت مصالح ملي و در نظر داشتن پيشبرد و توسعه کشور در کليه مراحل پژوهش
5- اصل رعايت انصاف و امانت، تعهد به اجتناب از هرگونه جانب داري غير علمي و حفاظت از اموال تجهيزات و منابع در اختيار
6- اصل راز داري: تعهد به صيانت از اسرار و اطلاعات محرمانه افراد، سازمانها و کشور و کليه افراد و نهادهاي مرتبط با تحقيق
7- اصل احترام: تعهد به رعايت حريم ها و حرمت ها در انجام تحقيقات و رعايت جانب نقد و خودداري از هر گونه حرمت شکني
8- اصل ترويج: تعهد به رواج دانش و اشاعه نتايج تحقيقات و انتقال آن به همکاران علمي و دانشجويان به غير از مواردي که منع قانوني دارد
9- اصل برائت: التزام به برائت جويي از هرگونه رفتار غير حرفه اي و اعلام موضوع نسبت به کساني که حوزه علم و پژوهش را به شائبه هاي غير علمي مي آلايند.

” تعهدنامه اصالت پایان نامه ”
اینجانب اشکان کیانی دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته در رشته مهندسی فرآوری و انتقال گاز با شماره دانشجویی 910851900 که در تاریخ 25/06/1393 از پایان نامه خود تحت عنوان :
” مدلسازی و بررسی شرایط فیزیکی تشکیل هیدرات در لوله‌های انتقال گاز ”
که با کسب نمره 20 (بیست) و درجه عالی دفاع نمودهام بدینوسیله متعهد میشوم:
1) این رساله حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده و در مواردی که از دستاوردهای علمی و پژوهشی دیگران (اعم از پایان نامه، کتاب، مقاله و…) استفاده نمودهام مطابق ضوابط و رویه موجود، نام منبع مورد استفاده و سایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج نمودهام.
2) این رساله قبلا برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایینتر یا بالاتر) در سایر دانشگاهها و موسسات آموزش عالی ارائه نشده است.
3) چنانچه بعد از فراقت از تحصیل، قصد استفاده و هرگونه بهرهبرداری اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و … از این رساله داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوزهای مربوطه را اخذ نمایم.
4) چنانچه در هر مقطعی زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشی از آن را میپذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصیلیام هیچگونه ادعایی نخواهم داشت.
اشکان کیانی
امضاء
گواهی امضاء:
دانشجوی فوق الذکر احراز هویت شد. فقط امضای ایشان گواهی میگردد.
رئیس پژوهش دانشکده
تاریخ و امضاء
دانشگاه آزاد اسلامی
واحد اراک
دانشکده فنی و مهندسی ، گروه مهندسی شیمی
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد (M.Sc.)
رشته: مهندسی فرآوری و انتقال گاز
عنوان:
مدلسازی و بررسی شرایط فیزیکی تشکیل هیدرات در لوله‌های انتقال گاز
استاد راهنما:
جناب آقای دکتر مجید تاجداری
استاد مشاور:
جناب آقای دکتر بهنام کوهستانی
نگارش:
اشکان کیانی
شهریور 1393
دانشگاه آزاد اسلامی
واحد اراک
دانشکده فنی و مهندسی ، گروه مهندسی شیمی
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد (M.Sc.)
رشته: مهندسی فرآوری و انتقال گاز
عنوان:
مدلسازی و بررسی شرایط فیزیکی تشکیل هیدرات در لوله‌های انتقال گاز
با حضور استاد راهنما، استاد مشاور و هیأت داوران در دانشگاه آزاد اسلامی واحد اراک
در مورخ 25/06/1393 برگزار گردید.
تصویب و ارزیابی شده توسط هیأت داوران با نمره 20 (بیست) و درجه عالی
دکتر مجید تاجداری (استاد راهنما) ………………………………………………………………………………………
دکتر بهنام کوهستانی (استاد مشاور) …………………………………………………………………………………….
دکتر حسین مظاهری (استاد داور) ………………………………………………………………………………………..
دکتر علی حسنی (مدیر گروه) ………………………………………………………………………………………..

سپاسگزاری
نخستين سپاس و ستايش از آن خداوندي است که بنده کوچکش را در درياي بيکران انديشه، قطره اي ساخت تا وسعت آن را از دريچه انديشه‌هاي ناب آموزگاراني بزرگ به تماشا نشيند. لذا اکنون که در سايه‌سار بنده نوازي‌‌هايش پايان نامه حاضر به انجام رسيده است، بر خود لازم مي‌دانم تا مراتب سپاس را از بزرگواراني به جا آورم که اگر دست ياريگرشان نبود، هرگز اين پايان نامه به انجام نمي‌رسيد.
ابتدا از استاد گرانقدرم جناب آقای دکتر مجید تاجداری که زحمت راهنمايي اين پايان نامه را بر عهده داشتند، کمال سپاس را دارم.
از استاد عالي قدرم جناب آقاي دکتر بهنام کوهستانی که زحمت مشاوره اين پايان نامه را متحمل شدند، صميمانه تشکر مي کنم.
از اعضای هیئت علمی گروه مهندسی شیمی دانشگاه آزاد اسلامی اراک بلاخص مدیریت جناب آقایان دکتر‌محمود سلیمی در مقطع کارشناسی و دکتر‌علی‌حسنی‌جوشقانی در مقطع کارشناسی ارشد، کمال تشکر و قدردانی را دارم.
سپاس آخر را به مهربانترين همراهان زندگيم، به پدر و مادرم تقديم مي‌کنم که حضورشان در فضاي زندگيم مصداق بي رياي سخاوت بوده است.

تقدیم به پدر گرامی و مادر عزیزم
آنان که همیشه دوستشان دارم و سلامتشان را از خداوند متعال خواستارم.

فهرست مطالب
ردیف عنوان صفحه
1فصل اول : هیدرات گازی و عوامل مؤثر در آن‌
1-1هیدرات3
1-2تشکیل هیدرات ها3
1-3شرایط تشکیل هیدرات4
1-4فاکتورهای مؤثر در تشکیل هیدرات5
1-5آب و گاز طبیعی6
1-5-1آب آزاد7
1-6بیان مساله پژوهش8
1-7ضرورت و اهمیت انجام پژوهش9
1-7-1اهمیت هیدرات‌های گازی10
1-7-2زمینه‌های تحقیقاتی هیدرات11
1-8وجه تمایز پژوهش با سایر پژوهش‌ها11
1-9اهداف پژوهش12
1-10سؤالات پژوهش12
1-11فرضیه‌های پژوهش13
1-12انواع و ساختار هیدرات13
1-12-1ساختار هیدرات نوع I15
1-12-2ساختار هیدرات نوع II15
1-12-3ساختار هیدرات نوع H16
1-13اندازۀ مولکول مهمان17
1-14ساير تشکيل دهنده‌هاي هيدرات19
1-14-1فرئون‌ها19
1-14-2هالوژن‌ها19
1-14-3گازهای نجیب19
1-14-4هوا19
1-14-5سایر تشکیل دهنده‌ها20
1-15کاربرد‌های هیدرات20
1-15-1کریستال هیدرات در فرآیند‌های جداسازی20
1-15-2غنی سازی اکسیژن با استفاده از تشکیل هیدرات گازی21
1-15-3تغلیظ به کمک تشکیل هیدرات21
1-15-4هیدرات گازی و شیرین سازی آب دریا21
1-15-5جدا سازی دی اکسید کربن دریایی22
1-15-6ذخیره و انتقال گاز طبیعی22
1-16کریستال هیدرات در محیط زیست23
1-17راه‌هاي جلوگیري از تشکیل هیدرات23
1-18اثر افزودنی‌ها بر تشکیل هیدرات24
1-19عوامل بازدارنده‌ تشکیل هیدرات‌ها26
1-19-1بازدارنده‌های ترمودینامیکی27
1-19-2بازدارنده‌های سینتیکی28
1-19-3بازدارنده‌های ضدتجمی یا ضد کلوخه ای29
1-19-4مواد افزودنی که هیدرات‌ها را در یکی از ساختار‌های I، II یا H پایدار می‌کند30
2فصل دوم : تاریخچه و تحقیقات انجام شده در مورد هیدرات گازی
2-1تاریخچه کشف هیدرات31
2-2پیشینه تحقیق در ایران32
2-2-1مطالعات پایه33
2-2-1-1تعادلات فازی33
2-2-1-1-1مطالعات تجربی33
2-2-1-1-2مطالعات تئوری35
2-2-1-2سينتيك تشكيل و تجزيه هيدرات36
2-2-1-3مطالعه ساختارهاي مولکولي37
2-2-1-4خواص فيزيكي – حرارتي38
2-2-2مباحث زيست محيطي هيدرات38
2-2-2-1اثرات گاز متان بر محيط زيست38
2-2-2-2ذخيره سازي گاز دي اكسيد كربن به شكل هيدرات39
2-2-3توسعه هيدرات و كاربردهاي نوين39
2-2-3-1جداسازي مخلوط هاي گازي39
2-2-3-2نمك زدايي آب دريا40
2-2-3-3ذخيره سازي و انتقال گاز طبيعي به صورت هيدرات40
2-2-3-4ذخيره سازي انرژي گرمايي41
2-2-4اكتشاف و بهره برداري منابع طبيعي هيدرات گازي41
2-2-5تحليل آماری42
2-3پیشینه تحقیق در خارج از ایران42
2-4نمودارهای فازی برای طبقه بندی هیدرات‌ها44
2-5روش‌های محاسباتی دستی برای پیش‌بینی تشکیل هیدرات44
2-5-1روش وزن مخصوص گاز45
2-5-2روش ثابت تعادلی K46
2-5-3روش بیلی- ویچرت47
2-5-4دیگر روابط همبستگی47
2-5-4-1ماکاگون47
2-5-4-2کوبایاشی و همکاران48
2-5-4-3مطیعی 48
2-5-4-4کسترگارد و همکاران48
2-5-4-5تولر و مخاطب49
2-6روش‌های رایانه‌ای برای پیش‌بینی تشکیل هیدرات49
2-6-1تعادل فازی49
2-6-2واندروالس و پلاتیو51
2-6-3پاریش و پراسنیتز51
2-6-4انجی و رابینسون52
3فصل سوم : بررسی روشهای بازدارنده در تشکیل هیدرات
3-1روش تحقیق53
3-2مرحله قبل از پیدایش هیدرات54
3-2-1نم‌زدایی از گاز طبیعی54
3-2-1-1نم‌زدایی از طریق گلایکول55
3-2-1-1-1جاذب‌های مایع55
3-2-1-1-2گلایکول‌ها56
3-2-1-1-3توصیف فرآیند56
3-2-1-2غربال‌های مولکولی57
3-2-1-2-1توصیف فرآیند58
3-2-1-3تبرید59
3-2-1-3-1توصیف فرآیند59
3-3تشکیل هیدرات حین شروع پدیده60
3-4تشکیل هیدرات با پیدایش مستمر پدیده65
3-4-1دینامیک سیالات عددی پژوهش66
3-4-1-1مراحل آنالیز جریان به کمک نرم افزار کامسول67
3-4-1-2پیش پردازش67
3-4-1-3حل عددی میدان جریان68
3-4-1-4پس پردازش نتایج69
3-4-1-5نکات مهم در شبیه سازی عددی جریان70
3-4-1-6چگونگی شبیه سازی عددی جریان71
3-4-1-7مشکلات عمده72
3-4-1-8خطا‌ها72
3-4-2تئوری و فرمولاسیون73
3-4-2-1معادلات Mixture Model, Laminar Flow73
3-4-2-2معادلات Laminar Flow76
3-4-2-3معادلات Heat Transfer in Fluid76
3-4-2-4معادلات Transport of Diluted Species77
3-4-3محاسبات تبخیر ناگهانی77
3-4-4مدل سازی و شرح مسئله78
3-5مرحله بعد از پیدایش هیدرات84
3-5-1انتخاب بازدارنده برتر88
4فصل چهارم : تجزیه و تحلیل داده‌ها (یافته‌ها)
4-1مبارزه با هیدرات با استفاده از گرما و فشار92
4-1-1کاهش فشار92
4-1-2استفاده از گرما93
4-1-3اتلاف گرما از یک خط لولۀ مدفون94
4-1-3-1سهم سیال95
4-1-3-2سهم لوله95
4-1-3-3سهم زمین96
4-1-3-4ضریب کلی انتقال حرارت96
4-1-3-5حرارت منتقل شده96
4-2مبارزه با هیدرات با استفاده از مقاومت های انتقال حرارت و انتقال جرم97
4-2-1انتقال جرم97
4-2-2انتقال حرارت98
4-3نتایج شبیه سازی مدل99
4-4نتایج شبیه سازی شبکه انتقال گاز111
4-5انتخاب بازدارنده برتر117
5فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1نم‌زدایی گاز121
5-2مقاومت‌های انتقال جرم و حرارت هیدرات122
5-3مدل سازی قطاعی از لوله دارای هیدرات123
5-4شبکه انتقال گاز125
5-5انتخاب بازدارنده برتر126
پیشنهادات ……………………………………………………………………………………………………….128
منابع و مأخذ …………………………………………………………………………………………………..129
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول ‏31 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم متان- آب در دمای 274 کلوین77
جدول ‏32 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم اتان- آب در دمای 274 کلوین77
جدول ‏33 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم پروپان- آب در دمای 274 کلوین78
جدول ‏34 : خواص گوشت لوله از جنس Stainless Steel79
جدول ‏35 : خواص آب درون لوله به صورت پراکنده79
جدول ‏36 : خواص گاز درون لوله به صورت پیوسته (گاز متان)79
جدول ‏37 : شرايط مرزي براي جريان سيال79
جدول ‏38 : شرايط مرزي براي فاز پراكنده79
جدول ‏39 : مشخصات جریان مخلوط در درون لوله79
جدول ‏310 : ورودی خواص سيال و ذرات جامد پراكنده به نرم افزار80
جدول ‏311 : شرايط مرزي براي جريان سيال80
جدول ‏312 : ورودی شرايط سیال آرام داخل لوله به نرم افزار80
جدول ‏313 : داده‌های ورودی انتقال حرارت به نرم افزار81
جدول ‏314 : شرايط مرزي برای انتقال حرارت داخل لوله81
جدول ‏315 : داده‌های ورودی مومنتوم به نرم افزار81
جدول ‏316 : شرايط مرزي برای غلظت گونه گازی (متان CA) داخل لوله81
جدول ‏317 : مشخصات مش بندی شبکه لوله82
جدول ‏318 : مشخصات حل کننده شبیه سازی82
جدول ‏319 : تفکیک کننده‌های مسئله برای اعتبار سنجی حل کننده82
جدول ‏320 : داده‌های ورودی خط ایستگاه S00384
جدول ‏321 : داده‌های ورودی خط ایستگاه S00184
جدول ‏322 : داده‌های خروجی خط ایستگاه D00184
جدول ‏323 : ترکیبات ورودی خط S003 به همراه ترکیب درصد‌های مولی84
جدول ‏324 : ترکیبات ورودی خط S001 به همراه ترکیب درصد‌های مولی85
جدول ‏325 : شرایط فیزیکی و محیطی لوله‌های انتقال گاز شبکه86
جدول ‏326 : ترکیبات گازی لاوان88
جدول ‏327 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در ابتدای خط انتقال گاز (حالت 1)90
جدول ‏328 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در انتهای خط انتقال گاز (حالت 1)91
جدول ‏329 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در ابتدای خط انتقال گاز (حالت 2)91
جدول ‏330 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در انتهای خط انتقال گاز (حالت 2)91

‌ فهرست نمودار‌ها
عنوان صفحه
نمودار ‏21 : نمودار نیمه لگاریتمی رشد انتشارات هیدرات در قرن بیستم32
نمودار ‏22 : تعداد مقالات چاپ شده در سال‌هاي مختلف42
نمودار ‏31 : تغییرات ارتفاع در خط L00585
نمودار ‏32 : تغییرات ارتفاع در خط L00685
نمودار ‏33 : تغییرات ارتفاع در خط L00886
نمودار ‏34 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده MeOH با درصد وزنی مختلف88
نمودار ‏35 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده NaCL با درصد وزنی مختلف88
نمودار ‏36 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده KBr با درصد وزنی مختلف89
نمودار ‏37 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده Na2SO4 با درصد وزنی مختلف89
نمودار ‏38 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده NaF با درصد وزنی مختلف89
نمودار ‏39 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده KCL با درصد وزنی مختلف90
نمودار ‏41 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پراکنده برای مقطع 5/1 متری ورودی100
نمودار ‏42 : مقايسه غلظت فاز جامد حاصل از مدلسازي، در مقطعي ثابت در زمان‌هاي مختلف101
نمودار ‏43 : توزيع سرعت محوري در زمان‌هاي 01/0 ،1/0 و 1 ثانيه پس از برقراري جريان101
نمودار ‏44 : توزيع غلظت فاز جامد مدلسازي در دو سرعت ورودي 0.061 m/s و 0.029 m/s102
نمودار ‏45 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی کسر‌حجمی فاز پراکنده در مقطع پایین لوله103
نمودار ‏46 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پیوسته در مقطع پایین لوله103
نمودار ‏47 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پراکنده در مقطع پایین لوله104
نمودار ‏48 : تغییرات دما در طول لوله در سه مقطع اصلی108
نمودار ‏49 : تغییرات فشار در طول لوله در سه مقطع اصلی108
نمودار ‏410 : تغییرات کسر حجمی فاز پراکنده در طول لوله در سه مقطع اصلی109
نمودار ‏411 : تغییرات سرعت مخلوط در طول لوله در سه مقطع اصلی109
نمودار ‏412 : تغییرات دما در قطر لوله در دو مقطع میانی109
نمودار ‏413: تغییرات فشار در قطر لوله در دو مقطع میانی110
نمودار ‏414: تغییرات کسر حجمی فاز پیوسته و پراکنده در قطر لوله در دو مقطع میانی110
نمودار ‏415 : تغییرات غلظت فاز پیوسته و پراکنده در قطر لوله در دو مقطع میانی110
نمودار ‏416 : منحنی‌های تشکیل هیدرات برای هر سه خط شبکه انتقال111
نمودار ‏417: تغییرات فشار در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال112
نمودار ‏418: تغییرات دما در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال112
نمودار ‏419 : تغییرات آنتالپی در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال113
نمودار ‏420: تغییرات دانسیته در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال113
نمودار ‏421 : تغییرات ویسکوزیته گاز در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال114
نمودار ‏422 : تغییرات سرعت مخلوط در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال115
نمودار ‏423 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بدون تزریق بازدارنده116
نمودار ‏424 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با 20 درصد غلظت116
نمودار ‏425 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با 30 درصد غلظت116
نمودار ‏426 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 10 درصد وزني119
نمودار ‏427 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 20 درصد وزني119
نمودار ‏428 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 30 درصد وزني119
نمودار ‏429 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 40 درصد وزني120
نمودار ‏430 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 50 درصد وزني120
نمودار ‏431 : مقايسه بازدارنده‌های نمکی تشکيل هيدرات‌گازي ميدان لاوان با 60 درصد وزني120

فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل ‏11 : شماتیکی از تشکیل هیدرات در جداره لوله9
شکل ‏12 : ساختار کریستال پایه برای یخ 4I13
شکل ‏13 : پیوند هیدروژنی میان پنج مولکول آب و تشکیل یک حلقه 5 مولکولی14
شکل ‏14 : تشکیل پیوند هیدروژنی میان دو مولکول آب14
شکل ‏15 : ساختار I15
شکل ‏16 : ساختار II16
شکل ‏17 : ساختار H16
شکل ‏18 : ساختارهای مختلف هیدرات گازی17
شکل ‏19 : مقایسه اندازه مولکول‌های مهمان، نوع هیدرات و حفره‌های اشغال شده18
شکل ‏110: دستگاه‌های تولید هیدرات گاز طبیعی22
شکل ‏111: دستگاه‌های تجزیه هیدرات22
شکل ‏112 : منحنی وابستگي هيدرات به دما و فشار24
شکل ‏113 : انواع افزودنی‌های هیدرات27
شکل ‏114 : مکانسیم بازدارندگی از تشکیل هیدرات30
شکل ‏115 : ساختار هیدرات به وجود آمده با تترا هیدرو فوران30
شکل ‏21 : هزینه انتقال گاز در فواصل مختلف با روش‌های مختلف41
شکل ‏22: نمودار فازي براي برخي از هيدروکربن گاز طبيعي ساده که هيدرات تشکيل می دهند44
شکل ‏23 : نمودار هیدرات برای سه مخلوط مورد بررسی ویلکاکس و همکاران46
شکل ‏31 : فرآیند ساده شده یک واحد نم‌زدایی از طریق گلایکول57
شکل ‏32 : فرآیند ساده شده یک واحد خشک کن جامد به همراه دو برج58
شکل ‏33 : فرآیند جریان ساده شده برای یک واحد تبرید به همراه تزریق گلایکول60
شکل ‏34 : شمای کلی تغییرات دما در فاز مایع و کریستال هیدرات61
شکل ‏35 : پروفایل غلظت در مسیر نفوذ گاز تا رسیدن به سطح هیدرات62
شکل ‏36 : شماتیک مدل ارائه شده در حال تشکیل هیدرات66
شکل ‏37 : شماتیک مکانیزم پیشنهادی تشکیل هیدرات از یک قطره آب66
شکل ‏38 : شماتيكي از مدل لوله به همراه شرايط مرزي78
شکل ‏39 : شماتیکی از مش بندی شبکه لوله82
شکل ‏310 : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده خطی83
شکل ‏311 : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده غیر خطی83
شکل ‏312 : گرافیک جریان‌های عبوری و ته نشین شدن ذرات هیدرات83
شکل ‏313 : شماتیک فرآیند انتقال گاز در یک شبکه گاز84
شکل ‏314 : نتایج اجرای شبیه سازی شبکه گاز با استفاده از نرم افزار PipePhase87
شکل ‏41 : فرآیند هم فشار و هم دما برای تشکیل هیدرات97
شکل ‏42 : پروفایل غلظت پیشنهادی مولکول‌های گاز در فرآیند تشکیل هیدرات98
شکل ‏43 : گرافیک و الگوی جریان ته نشین شدن ذرات جامد (هیدرات) در کف لوله104
شکل ‏44 : گرافیک و مقادیری از کسر حجمی فاز جامد دیسپرس شده105
شکل ‏45 : گرافیک پروفایل سرعت و جهت آن درون لوله105
شکل ‏46 : گرافیک پروفایل فشار و میزان آن در نقاطی از لوله106
شکل ‏47 : گرافیک پروفایل فشار در کل مخلوط و میزان آن در نقاطی از لوله106
شکل ‏48 : گرافیک پروفایل دما درون لوله106
شکل ‏49 : گرافیک پروفایل غلظت فاز پراکنده درون لوله107
شکل ‏410 : گرافیک پروفایل سرعت لغزش مخلوط درون لوله107
شکل ‏411 : مقاطع انتخاب شده برای بررسی پارامترهای مختلف108
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 درست کردن سیب‌زمینی سرخ کرده از ماهیتابۀ گود استفاده میشود. در این ماهیتابه، روغن بسیار داغ است امّا حباب جوشی وجود ندارد، زیرا هیچ مکان مناسبی برای هستهزایی نیست. با این حال، هنگامی که سیبزمینیها را در روغن قرار می‌دهند، بیدرنگ به جوش میآید، زیرا سیب زمینی سرخ کرده مکان بسیار مناسبی را برای هستهزایی فراهم میکند. مکانهای هستهزایی برای تشکیل هیدرات عباراتند از:
نقصهای موجود در خط لوله، نقاط جوش13، اتصالات خط لوله (زانویی، سهراهی، شیرها و غیره). گل و لای، جرم، خاک و شن و ماسه نیز مکانهای مناسبی برای هستهزایی فراهم میکنند.
3- آب آزاد14
ممکن است این سوال مطرح شود که آیا برای تشکیل هیدرات وجود آب آزاد الزامی است؟ خیر، این گفته با اظهارات قبلی متناقض نیست. آب آزاد برای تشکیل هیدرات الزامی نیست، امّا وجود آب بیشک احتمال تشکیل هیدرات را افزایش میدهد. علاوه براین سطح تماس آب و گاز محل هستهزایی بسیار خوبی برای تشکیل هیدرات گازی است.
موارد بالا تنها احتمال تشکیل هیدرات را افزایش میبرد و شرط لازم برای تشکیل آن‌ نیست. سه شرطی که پیشتر به آن‌ اشاره شد، شروط لازم برای تشکیل هیدرات است. یکی دیگر از جنبههای مهم تشکیل هیدرات، تجمع جامدات است. هیدراتهای گازی لزوماً در همان نقطهای تشکیل میشوند، منعقد نمی‌شوند. در خط لوله هیدرات میتواند همراه با فاز سیال بهویژه مایع جریان داشته باشد و تمایل دارد در همان جایی که مایع تجمع مییابد، منعقد شود. بهطور معمول انعقاد هیدرات مشکل ایجاد میکند. در خط لولۀ چندفازی، این تجمعات خط لوله را میبندد و به تجهیزات آسیب میرساند.
اغلب اوقات توپکرانی15 برای حذف هیدرات از خط لوله کافی است. توپکرانی، فرآیندی است که طی آن‌ ابزاری به نام توپک را وارد خط لوله میکنند. توپکهای مدرن کاربردهای فراوانی دارند، امّا مهمترین وظیفۀ آنها، تمیز کردن خط لوله است. نوعی از توپکها، داخل خط لوله را میخراشد و باز طریق جریان سیال در لوله حرکت میکند و بدین صورت هر جامدی را از درون خط لوله جابهجا میکند (هیدرات، موم16، لجن و غیره). توپکرانی برای حذف پسماندههای مایعات17 نیز بهکار میرود]12[.
توپکرانی باید طوری برنامهریزی شود که تجمع هیدراتها مشکلساز نشود. بهطور معمول توپک‌رانی برای تمیز کردن هیدرات در خط لوله استفاده نمیشود. از مزایای دیگر توپکرانی، حذف نمک و رسوبات است که این کار برای عملکرد مناسب خط لوله ضروری است. این امر به معنای آن‌ است که مکانهای مناسب برای تشکیل هستههای هیدرات از بین میروند.
آب و گاز طبیعی
آب اغلب همراه گاز طبیعی است و در مخازن همواره آب وجود دارد. بنابراین گاز طبیعی تولیدی همیشه اشباع از آب است. علاوه بر این آب سازند نیز گاهی همراه با گاز تولید میشود. همچنان که دما و فشار طی تولید گاز تغییر میکند، آب مایع نیز معیان میشود. بهعلاوه آب اغلب در فرآیندهای گاز طبیعی وجود دارد. در فرآیند شیرینسازی گاز طبیعی (برای مثال برای حذف سولفید هیدروژن و دیاکسیدکربن، به اصطلاح “گازهای اسیدی18” اغلب از محلولهای آبی استفاده میشود. مرسومترین این فرآیندها شامل محلول آبی آلکانولآمین است. به همین دلیل، گاز شیرین (محصول فرآیند شیرینسازی) این فرآیندها نیز، اشباع از آب است.
فرآیندهای مختلفی برای حذف آب از گاز طبیعی طراحی شدهاند که در فصل سوم بررسی خواهند شد. همراهی آب و گاز طبیعی به این معناست که در تمامی مراحل تولید و فرآوری گاز طبیعی احتمال تشکیل هیدرات وجود دارد. بخش زیادی از این پژوهش به پیشبینی شرایط تشکیل هیدرات اختصاص دارد. با این دانش، مهندسان شاغل در صنعت گاز طبیعی خواهند دانست که آیا هیدرات در برنامۀ آنها مشکلساز خواهد بود یا نه؟ پس از آنکه مشخص شد هیدرات برای ما مشکل ایجاد میکند یا حتی یک مشکل بالفعل است، چه می‌توان کرد؟ یکی دیگر از بخشهای این پژوهش به این موضوع میپردازد.
آب آزاد
افسانهای در صنعت گاز طبیعی وجود دارد که میگوید وجود “آب آزاد” (برای مثال یک فاز آبی19) برای تشکیل هیدرات ضروری است. در بخشهای بعدی نشان داده خواهد شد که این عقیده درست نیست. بی‌شک آب آزاد احتمال تشکیل هیدرات را افزایش میدهد، ولی وجود آن‌ ضروری نیست. استدلال قوی برای نشان دادن اینکه آب آزاد برای تشکیل هیدرات ضروری نیست، در فصل چهارم روی نمودارهای فازی آوردی شده است.
یکی دیگر از موضوعات مورد توجه، اصطلاح “برفک20” است که سؤال سادهای را مطرح میکند: آیا وجود آب آزاد برای تشکیل یخ ضروری است؟ پاسخ منفی است. برفکها بدون وجود آب مایع نیز شکل میگیرند. برفک از هوا روی اتومبیل در شبهای زمستانی تصعید میشود. بهطور مستقیم از هوا به فاز جامد میرود، بدون آنکه مایعی تشکیل شود. مخلوط هوا/آب یک گاز است، آب بهصورت مایع در هوا وجود ندارد. اگر یک فریزر قدیمی را در نظر بگیریم (فریزری که بدون برفک نیست) با نگاه کردن به داخل آن‌ میتوان مشاهده کرد که لایهای از برفک در آن‌ شکل گرفته است، بدون آنکه آب مایعی تشکیل شده باشد. هیدراتها از طریق این سازوکار میتوانند ایجاد شوند.
یکی از دلایلی که چرا اعتقاد بر این است که آب آزاد برای تشکیل هیدرات ضروری است، این است که هیدرات شکلگرفته بدون آب آزاد، مشکلساز نیست. داخل لوله ممکن است با برفکهای هیدرات پوشیده شود، امّا همچنان بهخوبی کار کند. یا مقدار هیدرات ممکن است کم باشد و در نتیجه خط لوله بسته نشود و به تجهیزات فرآوری نیز آسیبی وارد نشود. این هیدراتهای برفکی را میتوان به آسانی با فرآیند توپکرانی تمیز کرد.
فرآیند تبدیل مستقیم جامد به گاز، تصعید نامیده میشود. برای مثال، دیاکسیدکربن در فشار اتمسفری تصعید میشود. CO2 جامد، که بهطور معمول یخ خشک نامیده میشود، بهطور مستقیم از فاز جامد بدون تشکیل مایع به فاز بخار میرود. در این فشار اتمسفری CO2 در دمای 78- درجۀ سلسیوس (108- درجۀ فارنهایت) از جامد به بخار تبدیل میشود. مثال دیگری از جامداتی که در فشار اتمسفری تصعید میشوند، نفتالین است که مهمترین جزء گلولههای ضدبید محسوب میشود. دلیل اینکه گلولههای ضدبید از خود بو متصاعد میکنند، این است که نفتالین بهطور مستقیم از فاز جامد به فاز بخار میرود. در واقع همۀ مواد خالص از جمله آب خالص در فشارهای زیر فشار نقطۀ سهگانۀ خود تصعید میشوند. بنابراین جای تعجب نیست که هیدرات در شرایط مناسب میتواند بهطور مستقیم از فاز گاز به فاز جامد برود.
بیان مساله پژوهش
متان کلاترات21 که با نام هیدرات متانی و یخ متان نیز شناخته میشود، ترکیبی است که در آن‌ مقدار زیادی متان در داخل یک ساختار بلوری آب محبوس شده و ساختاری جامد تشکیل میدهد. ابتدا تصور میشد که هیدرات فقط در خارج از منظومه شمسی که دما بسیار پایین است تشکیل میشود ولی با پیشرفت علم کشف شد که مخازن وسیعی از آن‌ در کف اقیانوسها موجود است.
هیدراتها میتوانند در طول عملیات تولید گاز طبیعی نیز تشکیل شوند. این امر زمانی روی میدهد که آب مایع در حضور متان در فشار بالا متراکم شود. مشخص شده است که مولکول‌های بزرگتر مانند اتان و پروپان نیز می‌توانند هیدرات تشکیل دهند. در چند دهه اخیر هیدرات گازی به‌عنوان یک معضل درخطوط انتقال گاز مطرح بوده و جهت جلوگیری از تشکیل آن‌ از تزریق مواد بازدارنده به خطوط لوله استفاده شده است. از سوی دیگر مواد تزریقی مشکلات دیگری مانند جداسازی ثانویه و یا مسموم کردن مواد ایجاد می‌کنند که اگر بدون بررسی دقیق شرایط به خط تزریق شوند میتوانند بجای کاهش هزینهها موجب افزایش آن‌ گردند.
هیدراتها پس از تشکیل میتوانند خط لوله و تجهیزات پردازش را مسدود نموده و خساراتی ایجاد کنند. در این مرحله هیدراتها با صرف هزینه و وقت و اعمال روشهایی چون کاهش فشار، گرمکردن و حل بهکمک مواد شیمیایی مانند متانول، الکل‌ها و گلایکول قابل حذف میباشند امّا مراقبت و کنترل دقیقی برای اطمینان از حذف هیدرات لازم است. بهترین راه برای جلوگیری از ایجاد خسارات هیدراتها در خطوط انتقال گاز، جلوگیری از رسیدن به شرایط مناسب فیزیکی برای تشکیل آن‌ است که این امر نیازمند شناخت کامل و پیش بینی به موقع تشکیل هیدرات در خطوط انتقال است که در این پژوهش با استفاده از نرم افزار کامسول انجام میشود.
در این پژوهش شرایط خط لوله فرضی مورد مطالعه معلوم هستند. همچنین شرایط محیطی مختلف نیز به‌عنوان ورودی معلوم به نرم افزار وارد میشوند و شرایط و خواص فیزیکی گاز در حال انتقال نیز جزء متغییرهای معلوم به حساب میآیند. احتمال تشکیل‌هیدرات در خط لوله به‌عنوان مجهول بدست خواهد آمد.
شکل ‏11 : شماتیکی از تشکیل هیدرات در جداره لوله
ضرورت و اهمیت انجام پژوهش
تشکيل هيدرات در خطوط لوله گاز يکي از مشکلات بزرگ ميعانات گازي و مشکلات عملياتي طراحي خطوط لوله انتقال جريان‌ها بخصوص جريان‌هاي دو فازي فراروي کارکنان عمليات بهره‌برداري و مهندسين اداره بهره برداري است که هر ساله هزينه‌هاي بسياري را به خود اختصاص ميدهد. هزينه‌هاي ناشي از ايجاد خوردگي تأسيسات، انجام عمليات توپک‌راني در خطوط لوله و… همگي به واسطه مشکل توليد هيدرات گازي در خطوط لوله است که بايد با مديريتي صحيح در راستاي حل اين مشکل گامي اساسي برداشته شود.
هيدرات‌ها تمايل زيادي براي متراکم شدن و چسبيدن به ديواره لوله و در نتيجه مسدود نمودن خط لوله دارند. درصورت تشکيل هيدرات، براي جدايش و تجزيه آن‌ درجه حرارت بالاتر و يا فشار پايين تر مورد نياز است. حتي در اين شرايط نيز فرآیند جدا کردن هيدرات‌ها، فرآيندي آهسته است. بنابراين کليد مسأله، جلوگيري از تشکيل هيدرات باشد.
تشکیل هیدرات افت فشار را افزایش داده و باعث انسداد و نهایتاً انفجار خط لوله انتقال جریان مي‌شود. وجود آب و میعانات گازي در خطوط لوله جمع آوري و انتقال گاز طبیعي(به صورت جریان‌هاي دوفازي)، باعث پیدایش مشکلات زیر مي‌گردد:
الف) تشکیل‌هیدرات‌گاز طبیعي در خط لوله جریاني و در نتیجه کاهش بازده و ایمني خط لوله انتقال جریان
ب) تجمع مایعات در خطوط لوله انتقال جریان و در نتیجه کاهش بازده انتقال جریان
ج) خوردگي و ساییدگي خط لوله و در نتیجه بروز پدیده نشتي در خطوط
د) مشکلات عملیاتی و اعمال هزینه‌های سربار مثل توپک‌رانی
فلسفه واقعيت شکل هیدرات به شرایط عملیاتي از قبیل فشار، دما، نوع سیال، گاز مایع، حضورآب و… بستگي دارد. در این پایان نامه به بررسی شرایط فیزیکی و تشکیل هیدرات در خطوط لوله انتقال جریان گاز طبیعي و راه‌هاي مقابله با آن‌ شرح داده مي شوند.
اهمیت هیدرات‌های گازی
تاریخچه کشف هیدرات گازی به سال 1810 توسط همفر دیوی هنگام تولید حباب کلر در آب سرد به روش آزمایشگاهی بر می‌گردد. دوره دوم آن‌ تقریباً از سال 1934 وقتی که اولین خط لوله گاز طراحی شد و مورد بهره برداری قرار گرفت، که پدیده هیدرات باعث بسته شدن وگرفتگی خطوط انتقال گاز طبیعی شده است. این پدیده توسط هامراشمیت در آمریکا مطرح شد. در این دوره هیدرات به عنوان مشکلی برای تولیدکنندگان و فرآورش گاز طبیعی در نظر گرفته شد. این بخش و تاریخچه هیدرات به صنایع و مشکلات در آن‌ اختصاص دارد. دوره سوم با کشف این حقیقت که طبیعت میلیون‌ها سال پیش از بشر، هیدرات‌ها را تولید نموده، از اواسط دهه 1970 میلادی شروع شده و تا کنون ادامه دارد. این دوره با کشف منابع زیر هیدرات در اعماق اقیانوس ها در عمق 500 متری با فشار حدود 50 بار و دمای حدود 5-4 سانتی‌گراد آغاز گردیده است.
هیدرات‌های گازی به علت دارا بودن پتانسیل‌های مختلف ، مورد توجه محققان قرار گرفته است. موارد اهمیت هیدرات‌های گازی را می‌توان به صورت زیر بیان نمود:
هیدرات‌های گازی تامین کننده سوخت جهان در سال‌های آینده ( مکس و همکاران 2006)
هیدرات‌های گازی وسیله‌ای برای انتقال گاز
مسدود کردن خطوط انتقال گاز و چاه‌ها
خطرات حفاری (هارد اج و همکاران 2006)
ناپایداری بستر دریا
زمینه‌های تحقیقاتی هیدرات
ظرفیت و حجم بالای هیدرات در طبیعت سبب شده که امروزه تحقیقات گسترده‌ای برای بکارگیری این پتانسیل در علوم مهندسی به صورت زیر انجام شود.
شبیه سازی و مدلسازی ترمودینامیکی و سینتیکی هیدرات‌های گازی
اکتشاف، حفاری، بهره برداری و مطالعه مخازن هیدرات گازی
تشکیل هیدرات گازی در فرآیندهای صنعتی و نانوفناوری
بازدارندگی و پیش برندگی در تشکیل هیدرات
تولید، ذخیره سازی و انتقال گاز به صورت هیدرات گازی
خواص فیزیکی و ساختار مولکولی هیدرات‌های گازی
محیط زیست، ایمنی و مدیریت منابع هیدرات گازی (نانو فناوری)
تشکیل هیدرات‌های گازی در فرآیند‌های صنعتی
وجه تمایز پژوهش با سایر پژوهش‌ها
در این تحقیق بررسی شرایط فیزیکی هیدرات گازی در لوله‌های انتقال گاز با استفاده از نرم افزار کامسول مالتی فیزیک22 برای اولین بار مورد بررسی قرار میگیرد. مهم‌ترین ویژگی مثبت نرم افزار کامسول در مقایسه با بسته‌های مشابه، قابل اعتماد بودن، پیشرفته بودن و جدید بودن بسته نرم افزاری می‌باشد.
این پژوهش برخلاف کار قبلی انجام شده از فرضهای ساده کننده با خطای بالا مانند فرض همدما بودن یا مدلسازی یک بعدی استفاده نکرده و از فرض وجود توزیع دما در داخل خط لوله استفاده مینماید و بنابراین دقت پیش بینی آن‌ بسیار بالاتر است. همچنین در حل معادلات از نرم افزار کامسول استفاده شده که قابلیت اطمینان به مدلسازی و همچنین امکان استفاده صنعتی از این مدلسازی را افزایش میدهد. در این پژوهش برخلاف کارهای قبلی بصورت همزمان سه معادله بقا حل می‌شوند در حالی که در کارهای قبلی مدلها از یک معادله بقا و معادلات حالت برای محاسبات استفاده کردهاند.

اهداف پژوهش
یکی از مهمترین اهداف تحقیق حل همزمان معادلات بقای جرم، انرژی و مومنتوم و مقایسه با شرایط ترمودینامیکی لازم



قیمت: تومان

About the author

92 administrator

You must be logged in to post a comment.