فصل سوم
بررسی روشهای بازدارنده در تشکیل هیدرات
روش تحقیق
در این تحقیق ما چندین مورد را بررسی قرار می‌دهیم و علاوه بر کار مدل سازی و شبیه سازی به تحلیل موضوعات مختلف در رابطه با شرایط تشکیل هیدرات خواهیم پرداخت. این پژوهش دارای دستاوردهایی است که بدون شک تا امروز هیچ پژوهشی در رابطه با آنها صورت نگرفته است و از کارهای گذشته پیروی نمی‌کند و از دیدگاه جدیدی به این پدیده تازه می‌نگرد. این پژوهش دارای چندین تحقیق مختلف می‌باشد که در هر یک سعی نمودیم نتایجی را بدست آوریم که تا به امروز به آنها توجهی نشده بود و می‌تواند در آینده از آنها برای پایین آوردن درصد خطای تحقیقات محققین دیگر و تفسیر گویاتر از پدیده استفاده شود. پدیده هیدرات در این پژوهش در سه مرحله کاملاً کاوش شده است :
۱- مرحله قبل از پیدایش هیدرات
در مرحله قبل از پیدایش با مطالعه کامل و دقیق منابع علمی و توجه به گزارشات تجربی محققین و صنعت‌گران به ارائه راه کارهای دقیق‌تر برای جلوگیری از پیدایش هیدرات در خط لوله پرداخته شده است.
۲- مرحله هنگام تشکیل هیدرات
در مرحله هنگام تشکیل هیدرات نیز به خاطر زمان طولانی پدیده نمی‌توان آن را در یک بخش بررسی نمود که خود به دو بخش زیر تقسیم می‌شود.
مقاومت‌های حین شروع پدیده : در مرحله اول مسئله تشکیل هیدرات را از نگاه انتقال جرم و حرارت به صورت مولکولی بررسی خواهیم کرد که بررسی غلظت و دما بر نحوه رشد هسته و ایجاد ساختار کریستالی چگونه است. توجه به پارامترهای جرمی می‌تواند مانع تشکیل هیدرات یا تأخیر در پیدایش آن شود.
پیدایش مستمر پدیده : در مرحله دوم نیز قسمتی از لوله که در آن هیدرات در حال رشد، تشکیل ساختار، انباشتگی مولکول‌ها در کف لوله و شروع به مسدود کردن لوله می‌کند را با نرم افزار کامسول مورد شبیه‌سازی قرار دادیم و تمامی شرایط فیزیکی لوله را برای متغییر‌های مستقل و وابسته مختلف بررسی نمودیم که نتایج می‌تواند جواب بسیاری از سوالات و درک‌های اشتباه از پدیده را به ما ارائه کند.
۳- مرحله بعد از پیدایش هیدرات
در مرحله بعد از پیدایش هیدرات با شبیه سازی یک شبکه انتقال گاز در یکی از نقاط کشور با نرم افزار Pipephase توانستیم نشان دهیم با تزریق بازدارنده میتوان از تشکیل پدیده جلوگیری نمود که در ادامه با یک بررسی دقیق‌تر با بهره گرفتن از نرم افزارهای CSMHYD به دنبال انتخاب بهترین بازدارنده باشیم.
مرحله قبل از پیدایش هیدرات
پارامتر اصلی تشکیل هیدرات وجود آب در خط لوله است. در صنعت برای حل معضل هیدرات همواره به دنبال حذف آب هستند که این امر با نمزدایی آب صورت میگیرد.
نمزدایی از گاز طبیعی
نمزدایی[۱۰۳]، فرآیندی است که که در آن، آب از گاز طبیعی حذف می شود و روشی متداول برای جلوگیری از تشکیل هیدرات است. اگر هیچ آبی وجود نداشته باشد، تشکیل هیدرات غیرممکن است. اگر تنها مقدار کمی آب موجود باشد، احتمال تشکیل هیدرات نیز کم است. دلایل دیگری نیز برای نمزدایی گاز طبیعی وجود دارد. حذف بخار آب، ریسک خوردگی در خطوط انتقال را کاهش میدهد. علاوه بر این، نمزدایی، بهره وری خطوط لوله را از طریق کاهش مایع تجمعیافته، یا حذف کامل آن، بهبود میبخشد. چندین روش نمزدایی وجود دارد. متداولترین آنها عبارتند از]۵۳-۵۶[:
(۱) نمزدایی با بهره گرفتن از گلایکول (خشککن مایع[۱۰۴])
(۲) غربال مولکولی[۱۰۵] (جاذب جامد[۱۰۶])
(۳) تبرید[۱۰۷]
چند روش دیگر نمزدایی نیز وجود دارد که استفادۀ کمی دارند که در اینجا از بحث دربارۀ آنها صرفنظر می‌شود. محتوای آب نیز توسط سه روش قابل اندازه‌گیری است:
بررسی نقطه شبنم
توسط جذب آب روی یک جاذب
توسط جذب در یک مایع (کارلفیشر)
نمزدایی از طریق گلایکول
رایجترین روش برای نمزدایی در صنعت گاز طبیعی، استفاده از خشککن مایع است. در این فرایند گاز تر[۱۰۸] در تماس با حلال رقیق[۱۰۹] (حاوی مقدار کمی آب) قرار میگیرد. آب موجود در گاز از طریق حلال رقیق جذب شده و جریان حلال غنی[۱۱۰] (شامل آب بیشتر) و گاز خشک تولید می کند. سیستم گلایکول نمیتواند از مشکلات خالی باشد و مشکلات‌عملیاتی[۱۱۱] یا از بد کارکردن دستگاه‌ها و یا از کیفیت بد عملیات ناشی‌می‌شود این مسائل را میتوان به صورت زیر خلاصه نمود:
۱- کف کردن محلول گلایکول که منجر به آلوده شدن گاز به مایعات می‌شود
۲- تجزیه حرارتی گلایکول
۳- خورندگی در لوله‌ها و مخازن و دیگر وسایل
۴- یخ زدگی در لوله خروجی بخار آب از سیستم
۵- نگه داشتن سطح مطلوب PH گلایکول
۶- نگه داشتن سطح مطلوب غلظت گلایکول
۷- از دست دادن(هدر رفتن) گلایکول
جاذبهای مایع
تعدادی از مایعات قابلیت جذب آب از جریان گاز را دارند. با اینحال، تعداد کمی از آنها در تطابق با معیارهای مناسب برای کاربرد تجاری هستند. بعضی از این معیارها عبارتند از:
۱- مایع جاذب باید رطوبت دوست[۱۱۲] باشد، یعنی تمایل قوی برای جذب آب داشته باشد.
۲- بهمنظور حداقل کردن اتلاف محصول مورد نظر و کاهش خروج هیدروکربن، اجزای هیدروکربنی باید حلالیت کمی در حلال داشته باشند.
۳- خشککن باید بهراحتی برای استفادۀ مجدد در غلظتهای بیشتر احیا شود.
۴- خشککن باید فشار بخار خیلی کمی داشته باشد.این موضوع، مقدار اتلاف حلال بهعلت تبخیر را کاهش میدهد.
۵- خشککن باید پایداری حرارتی[۱۱۳] به ویژه در دماهای بالای جوشآور[۱۱۴] داشته باشد.
۶- محلولها نباید در گسترۀ دمایی مورد انتظار در فرایند نمزدایی، جامد شوند.
۷- هیچیک از مایعات نباید برای مواد فلزی موجود در تجهیزات نمزدا خورنده باشند، به ویژه برای فضای بخار جوشآور[۱۱۵]، ستون دفع تقویت کننده[۱۱۶] و پایین برج جذب[۱۱۷].
۸- خشککنهای مایع نباید با هیچ یک از اجزای گاز طبیعی به ویژه با دیاکسیدکربن و سولفید‌هیدروژن واکنش دهند.
گلایکولها
دستهای از ترکیبات آلی به نام گلایکولها به نوعی با معیارهای تجاری مذکور تطابق دارند. گلایکولها نقطۀ جوش بالاتری نسبت به آب دارند و فشار بخار آنها کمتر ست. با این حال، گلایکولها در دماهای زیاد تجزیه میشوند. دمای تجزیه ما را در انتخاب بیشینۀ دمایی که در آن این فرایند انجام میگیرد، به ویژه در جوشآور، محدود می کند. مونواتیلنگلایکول (MEG)، بیشتر به نام اتیلنگلایکول(EG) معروف است، دیاتیلنگلایکول(DEG)، تریاتیلنگلایکول(TEG)، تترا اتیلنگلایکول (TREG) از جمله گلایکولهای مناسب برای نمزدایی هستند. گلایکولها از ساختار شیمیایی زیر برخوردارند:
توصیف فرایند
فرایند خشککن مایع شامل دو مرحله است: اول اینکه آب در یک برج مرحله ای[۱۱۸]، از گاز جذب می‌شود. حلال در ستون دوم احیا[۱۱۹] می شود. حلال سپس به اولین ستون بازگردانده می شود تا آب بیشتری از گاز حذف شود. شکل سادهای از فرایند نمزدایی از طریق گلایکول در شکل ۳‑۱ نشان داده شده است.
شکل ۳‑۱ : فرایند ساده شده یک واحد نمزدایی از طریق گلایکول
واحد نمزدایی TEG گاز طبیعی در فشارهای به نسبت زیاد در برج جذب و فشارهای کم در احیاکننده کار می‌کند. قسمت فشار بالا[۱۲۰] شامل برج جذب گلایکول[۱۲۱] و جداسازی ورودی[۱۲۲] است. قسمت فشار پایین[۱۲۳] نیز احیاکننده[۱۲۴]، مخزن تبخیر آنی[۱۲۵] و تجهیزات همراه آن است.
غربالهای مولکولی[۱۲۶]
برخلاف نمزدایی گلایکول، که فرایند جذب از طریق مایع است، نمزدایی بهوسیلۀ غربالهای مولکولی یک فرایند جذب از طریق جامد است. آب موجود در گاز به فاز جامد میچسبد، فاز جامد مانند غربال مولکولی عمل می کند، به این ترتیب آب از گاز طبیعی حذف می شود. غربالهای مولکولی اغلب هنگامی استفاده میشوند که بخواهیم گاز خیلی خشک داشته باشیم (مانند فرایند برودتی[۱۲۷]). فرایند غربالگری مولکولی می تواند گاز را به کمتر از ۱ ppm (1 mg/Sm3) یا (۰.۰۵ lb/MMSCF) خشک کند.
در فرایند غربالگری مولکولی، گاز تر وارد بستری از مواد جاذب می شود. آب موجود در گاز، جذب این بستر شده و اینگونه گاز خشک تولید می شود. هنگامی که این بستر اشباع از آب شد، به این معنا که دیگر نتواند آب بیشتری جذب کند، باید احیا شود. اغلب برای کاهش اندازۀ واحد غربالگری مولکولی، برای حذف کلی آب از یک واحد نمزدایی گلایکول استفاده می کنند. بعد از نمزدایی گلایکول، گاز برای خشک کردن نهایی وارد غربال مولکولی می شود.
توصیف فرایند
جذب بخار آب از جریان یک گاز، فرآیندی نیمهپیوسته[۱۲۸] است. بنابراین، حداقل به دو بستر جذب نیاز داریم. یکی در فاز جذب و دیگری در فاز احیا یا خنک کردن. همچنان که بستر، آب را جذب می کند، از آب اشباع می شود و آن قسمت از بستر دیگر نمیتواند آب بیشتری را جذب کند. هنگامی که کل بستر از آب اشباع شد، بستر باید احیا شود. احیا با بهره گرفتن از گرما انجام میگیرد. به این ترتیب، یک جریان از گاز داغ برای دفع آب از روی بستر عبور داده می شود و اینگونه این بستر احیا می شود. بعد از مرحلۀ دفع، قبل از وارد شدن دوبارۀ این بستر به عملیات، باید خنک شود. طرح سادهشدهای از یک فرایند جذب دو بستری در شکل ۳‑۲ نشان داده شده است.
شکل ۳‑۲ : فرایند ساده شده یک واحد خشک کن جامد به همراه دو برج
تبرید
یکی دیگر از روشهای نمزدایی گاز طبیعی، استفاده از تبرید است؛ هدف همیشگی کارخانۀ تبرید، برای تغییر نقطۀ شبنم هیدروکربن، حذف هیدروکربنهای سنگین از جریان گاز طبیعی است. بااینحال، این فرایند می تواند آب را نیز حذف کند. دمای کم در فرایند تبرید موجب حذف آب می شود، زیرا گاز سرد آب کمتری نسبت به گاز داغ در خود نگه میدارد. برای جلوگیری از تشکیل یخ و هیدرات، گاز سرد با یک حلال قطبی، اغلب اتیلنگلایکول، مخلوط می شود. فرایند تبرید معمولی می تواند بهراحتی مقدار آب یک گاز را به اندازۀ ۱ lb/MMSCF برساند.
توصیف فرایند
تحقیقات انجام شده با موضوع : مدلسازی و بررسی شرایط فیزیکی تشکیل هیدرات در لوله‌های ...
