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
1-13انداز? مولکول مهمان17
1-14سایر تشکیل دهنده‌های هیدرات19
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
1-17راه‌های جلوگیری 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
2-2-1-2سینتیک تشکیل و تجزیه هیدرات36
2-2-1-3مطالعه ساختارهای مولکولی37
2-2-1-4خواص فیزیکی – حرارتی38
2-2-2مباحث زیست محیطی هیدرات38
2-2-2-1اثرات گاز متان بر محیط زیست38
2-2-2-2ذخیره سازی گاز دی اکسید کربن به شکل هیدرات39
2-2-3توسعه هیدرات و کاربردهای نوین39
2-2-3-1جداسازی مخلوط های گازی39
2-2-3-2نمک زدایی آب دریا40
2-2-3-3ذخیره سازی و انتقال گاز طبیعی به صورت هیدرات40
2-2-3-4ذخیره سازی انرژی گرمایی41
2-2-4اکتشاف و بهره برداری منابع طبیعی هیدرات گازی41
2-2-5تحلیل 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 لول? 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 ‏3-1 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم متان- آب در دمای 274 کلوین77
جدول ‏3-2 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم اتان- آب در دمای 274 کلوین77
جدول ‏3-3 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم پروپان- آب در دمای 274 کلوین78
جدول ‏3-4 : خواص گوشت لوله از جنس Stainless Steel79
جدول ‏3-5 : خواص آب درون لوله به صورت پراکنده79
جدول ‏3-6 : خواص گاز درون لوله به صورت پیوسته (گاز متان)79
جدول ‏3-7 : شرایط مرزی برای جریان سیال79
جدول ‏3-8 : شرایط مرزی برای فاز پراکنده79
جدول ‏3-9 : مشخصات جریان مخلوط در درون لوله79
جدول ‏3-10 : ورودی خواص سیال و ذرات جامد پراکنده به نرم افزار80
جدول ‏3-11 : شرایط مرزی برای جریان سیال80
جدول ‏3-12 : ورودی شرایط سیال آرام داخل لوله به نرم افزار80
جدول ‏3-13 : داده‌های ورودی انتقال حرارت به نرم افزار81
جدول ‏3-14 : شرایط مرزی برای انتقال حرارت داخل لوله81
جدول ‏3-15 : داده‌های ورودی مومنتوم به نرم افزار81
جدول ‏3-16 : شرایط مرزی برای غلظت گونه گازی (متان CA) داخل لوله81
جدول ‏3-17 : مشخصات مش بندی شبکه لوله82
جدول ‏3-18 : مشخصات حل کننده شبیه سازی82
جدول ‏3-19 : تفکیک کننده‌های مسئله برای اعتبار سنجی حل کننده82
جدول ‏3-20 : داده‌های ورودی خط ایستگاه S00384
جدول ‏3-21 : داده‌های ورودی خط ایستگاه S00184
جدول ‏3-22 : داده‌های خروجی خط ایستگاه D00184
جدول ‏3-23 : ترکیبات ورودی خط S003 به همراه ترکیب درصد‌های مولی84
جدول ‏3-24 : ترکیبات ورودی خط S001 به همراه ترکیب درصد‌های مولی85
جدول ‏3-25 : شرایط فیزیکی و محیطی لوله‌های انتقال گاز شبکه86
جدول ‏3-26 : ترکیبات گازی لاوان88
جدول ‏3-27 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در ابتدای خط انتقال گاز (حالت 1)90
جدول ‏3-28 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در انتهای خط انتقال گاز (حالت 1)91
جدول ‏3-29 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در ابتدای خط انتقال گاز (حالت 2)91
جدول ‏3-30 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در انتهای خط انتقال گاز (حالت 2)91

‌ فهرست نمودار‌ها
عنوان صفحه

نمودار ‏2-1 : نمودار نیمه لگاریتمی رشد انتشارات هیدرات در قرن بیستم32

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

نمودار ‏2-2 : تعداد مقالات چاپ شده در سال‌های مختلف42
نمودار ‏3-1 : تغییرات ارتفاع در خط L00585
نمودار ‏3-2 : تغییرات ارتفاع در خط L00685
نمودار ‏3-3 : تغییرات ارتفاع در خط L00886
نمودار ‏3-4 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده MeOH با درصد وزنی مختلف88
نمودار ‏3-5 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده NaCL با درصد وزنی مختلف88
نمودار ‏3-6 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده KBr با درصد وزنی مختلف89
نمودار ‏3-7 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده Na2SO4 با درصد وزنی مختلف89
نمودار ‏3-8 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده NaF با درصد وزنی مختلف89
نمودار ‏3-9 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده KCL با درصد وزنی مختلف90
نمودار ‏4-1 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پراکنده برای مقطع 5/1 متری ورودی100
نمودار ‏4-2 : مقایسه غلظت فاز جامد حاصل از مدلسازی، در مقطعی ثابت در زمان‌های مختلف101
نمودار ‏4-3 : توزیع سرعت محوری در زمان‌های 01/0 ،1/0 و 1 ثانیه پس از برقراری جریان101
نمودار ‏4-4 : توزیع غلظت فاز جامد مدلسازی در دو سرعت ورودی 0.061 m/s و 0.029 m/s102
نمودار ‏4-5 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی کسر‌حجمی فاز پراکنده در مقطع پایین لوله103
نمودار ‏4-6 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پیوسته در مقطع پایین لوله103
نمودار ‏4-7 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پراکنده در مقطع پایین لوله104
نمودار ‏4-8 : تغییرات دما در طول لوله در سه مقطع اصلی108
نمودار ‏4-9 : تغییرات فشار در طول لوله در سه مقطع اصلی108
نمودار ‏4-10 : تغییرات کسر حجمی فاز پراکنده در طول لوله در سه مقطع اصلی109
نمودار ‏4-11 : تغییرات سرعت مخلوط در طول لوله در سه مقطع اصلی109
نمودار ‏4-12 : تغییرات دما در قطر لوله در دو مقطع میانی109
نمودار ‏4-13: تغییرات فشار در قطر لوله در دو مقطع میانی110
نمودار ‏4-14: تغییرات کسر حجمی فاز پیوسته و پراکنده در قطر لوله در دو مقطع میانی110
نمودار ‏4-15 : تغییرات غلظت فاز پیوسته و پراکنده در قطر لوله در دو مقطع میانی110
نمودار ‏4-16 : منحنی‌های تشکیل هیدرات برای هر سه خط شبکه انتقال111
نمودار ‏4-17: تغییرات فشار در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال112
نمودار ‏4-18: تغییرات دما در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال112
نمودار ‏4-19 : تغییرات آنتالپی در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال113
نمودار ‏4-20: تغییرات دانسیته در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال113
نمودار ‏4-21 : تغییرات ویسکوزیته گاز در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال114
نمودار ‏4-22 : تغییرات سرعت مخلوط در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال115
نمودار ‏4-23 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بدون تزریق بازدارنده116
نمودار ‏4-24 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با 20 درصد غلظت116
نمودار ‏4-25 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با 30 درصد غلظت116
نمودار ‏4-26 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 10 درصد وزنی119
نمودار ‏4-27 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 20 درصد وزنی119
نمودار ‏4-28 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 30 درصد وزنی119
نمودار ‏4-29 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 40 درصد وزنی120
نمودار ‏4-30 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 50 درصد وزنی120
نمودار ‏4-31 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 60 درصد وزنی120

فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل ‏1-1 : شماتیکی از تشکیل هیدرات در جداره لوله9
شکل ‏1-2 : ساختار کریستال پایه برای یخ 4I13
شکل ‏1-3 : پیوند هیدروژنی میان پنج مولکول آب و تشکیل یک حلقه 5 مولکولی14
شکل ‏1-4 : تشکیل پیوند هیدروژنی میان دو مولکول آب14
شکل ‏1-5 : ساختار I15
شکل ‏1-6 : ساختار II16
شکل ‏1-7 : ساختار H16
شکل ‏1-8 : ساختارهای مختلف هیدرات گازی17
شکل ‏1-9 : مقایسه اندازه مولکول‌های مهمان، نوع هیدرات و حفره‌های اشغال شده18
شکل ‏1-10: دستگاه‌های تولید هیدرات گاز طبیعی22
شکل ‏1-11: دستگاه‌های تجزیه هیدرات22
شکل ‏1-12 : منحنی وابستگی هیدرات به دما و فشار24
شکل ‏1-13 : انواع افزودنی‌های هیدرات27
شکل ‏1-14 : مکانسیم بازدارندگی از تشکیل هیدرات30
شکل ‏1-15 : ساختار هیدرات به وجود آمده با تترا هیدرو فوران30
شکل ‏2-1 : هزینه انتقال گاز در فواصل مختلف با روش‌های مختلف41
شکل ‏2-2: نمودار فازی برای برخی از هیدروکربن گاز طبیعی ساده که هیدرات تشکیل می دهند44
شکل ‏2-3 : نمودار هیدرات برای سه مخلوط مورد بررسی ویلکاکس و همکاران46
شکل ‏3-1 : فرآیند ساده شده یک واحد نم‌زدایی از طریق گلایکول57
شکل ‏3-2 : فرآیند ساده شده یک واحد خشک کن جامد به همراه دو برج58
شکل ‏3-3 : فرآیند جریان ساده شده برای یک واحد تبرید به همراه تزریق گلایکول60
شکل ‏3-4 : شمای کلی تغییرات دما در فاز مایع و کریستال هیدرات61
شکل ‏3-5 : پروفایل غلظت در مسیر نفوذ گاز تا رسیدن به سطح هیدرات62
شکل ‏3-6 : شماتیک مدل ارائه شده در حال تشکیل هیدرات66
شکل ‏3-7 : شماتیک مکانیزم پیشنهادی تشکیل هیدرات از یک قطره آب66
شکل ‏3-8 : شماتیکی از مدل لوله به همراه شرایط مرزی78
شکل ‏3-9 : شماتیکی از مش بندی شبکه لوله82
شکل ‏3-10 : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده خطی83
شکل ‏3-11 : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده غیر خطی83
شکل ‏3-12 : گرافیک جریان‌های عبوری و ته نشین شدن ذرات هیدرات83
شکل ‏3-13 : شماتیک فرآیند انتقال گاز در یک شبکه گاز84
شکل ‏3-14 : نتایج اجرای شبیه سازی شبکه گاز با استفاده از نرم افزار PipePhase87
شکل ‏4-1 : فرآیند هم فشار و هم دما برای تشکیل هیدرات97
شکل ‏4-2 : پروفایل غلظت پیشنهادی مولکول‌های گاز در فرآیند تشکیل هیدرات98
شکل ‏4-3 : گرافیک و الگوی جریان ته نشین شدن ذرات جامد (هیدرات) در کف لوله104
شکل ‏4-4 : گرافیک و مقادیری از کسر حجمی فاز جامد دیسپرس شده105
شکل ‏4-5 : گرافیک پروفایل سرعت و جهت آن درون لوله105
شکل ‏4-6 : گرافیک پروفایل فشار و میزان آن در نقاطی از لوله106
شکل ‏4-7 : گرافیک پروفایل فشار در کل مخلوط و میزان آن در نقاطی از لوله106
شکل ‏4-8 : گرافیک پروفایل دما درون لوله106
شکل ‏4-9 : گرافیک پروفایل غلظت فاز پراکنده درون لوله107
شکل ‏4-10 : گرافیک پروفایل سرعت لغزش مخلوط درون لوله107
شکل ‏4-11 : مقاطع انتخاب شده برای بررسی پارامترهای مختلف108
چکیده :
امروزه یکی از معضلات در خطوط انتقال گاز، پدیده هیدرات گازی است که ترکیبی از گازهای سبک مثل متان، اتان یا دی اکسید کربن با مولکول‌های آب تحت شرایط خاص دمایی و فشاری ماده‌ای شبیه به یخ را تشکیل می‌دهد که حجم زیادی از گاز را در خود جای داده است. هیدارت های گازی عموماً ته نشین شده و در نهایت توان عملیاتی خط 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 باشد که در این پژوهش ابتدا مورد تجزیه‌ و تحلیل قرار‌ گرفته و سپسس سه وضعیت قبل، بعد و حین تشکیل هیدرات بررسی شده است.‌ در ‌قبل، نگاهی به روش‌ها، فرآیند‌ها، مزایا و معایب واحدهای نم‌زدایی گاز شده است. مقاومت‌های انتقال جرم و حرارت در حین پیدایش نیز بررسی کامل شد و نشان داد که نرخ تشکیل هیدرات توسط مکانیسم انتقال جرم کنترل شده و هر‌چه انتقال حرارت سریعتر انجام گیرد هیدرات تشکیل شده پایدارتر است. سپس با یک مدلسازی میدان توزیع سرعت، فشار، دما، کسرحجمی برای سیال و همچنین توزیع غلظت ذرات جامد در یک جریان آرام دو فاز گاز‌- جامد در داخل یک لوله افقی، توسط بسته نرم‌افزاری کامسول(COMSOL Multiphysics) شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان میدهد که کاهش سرعت متوسط منجر به کاهش نیروهای پراکنده کننده شده و نهایتاً غلظت بیشتر ذرات جامد در کف لوله را سبب می‌شود.
واژه‌های کلیدی: هیدرات گازی، نم‌زدایی گاز، مدلسازی و شبیه سازی هیدرات

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 نتیج? 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 جاذب? بین مولکولهاست نه جاذب? 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 تشکیلدهند? 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 درج? سلسیوس نقط? 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 تهی? غذای آماده برای درست کردن سیب‌زمینی سرخ کرده از ماهیتاب? 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 لول? 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 وظیف? 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 برنام? 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- درج? سلسیوس (108- درج? 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 هم? مواد خالص از جمله آب خالص در فشارهای زیر فشار نقط? سهگان? 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 ‏1-1 : شماتیکی از تشکیل هیدرات در جداره لوله
ضرورت و اهمیت انجام پژوهش
تشکیل هیدرات در خطوط لوله گاز یکی از مشکلات بزرگ میعانات گازی و مشکلات عملیاتی طراحی خطوط لوله انتقال جریان‌ها بخصوص جریان‌های دو فازی فراروی کارکنان عملیات بهره‌برداری و مهندسین اداره بهره برداری است که هر ساله هزینه‌های بسیاری را به خود اختصاص میدهد. هزینه‌های ناشی از ایجاد خوردگی تأسیسات، انجام عملیات توپک‌رانی در خطوط لوله و… همگی به واسطه مشکل تولید هیدرات گازی در خطوط لوله است که باید با مدیریتی صحیح در راستای حل این مشکل گامی اساسی برداشته شود.
هیدرات‌ها تمایل زیادی برای متراکم شدن و چسبیدن به دیواره لوله و در نتیجه مسدود نمودن خط لوله دارند. درصورت تشکیل هیدرات، برای جدایش و تجزیه آن‌ درجه حرارت بالاتر و یا فشار پایین تر مورد نیاز است. حتی در این شرایط نیز فرآیند جدا کردن هیدرات‌ها، فرآیندی آهسته است. بنابراین کلید مسأله، جلوگیری از تشکیل هیدرات باشد.
تشکیل هیدرات افت فشار را افزایش داده و باعث انسداد و نهایتاً انفجار خط لوله انتقال جریان می‌شود. وجود آب و میعانات گازی در خطوط لوله جمع آوری و انتقال گاز طبیعی(به صورت جریان‌های دوفازی)، باعث پیدایش مشکلات زیر می‌گردد:
الف) تشکیل‌هیدرات‌گاز طبیعی در خط لوله جریانی و در نتیجه کاهش بازده و ایمنی خط لوله انتقال جریان
ب) تجمع مایعات در خطوط لوله انتقال جریان و در نتیجه کاهش بازده انتقال جریان
ج) خوردگی و ساییدگی خط لوله و در نتیجه بروز پدیده نشتی در خطوط


پاسخ دهید