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

 

شهریور 1393

 

شهریور 1393برای 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)

فهرست مطالب

ردیف                                              صفحه

¹……….. فصل اول : هیدرات گازی و عوامل مؤثر در آن‌

1-1        هیدرات… 3

1-2        تشکیل هیدرات ها 3

1-3        شرایط تشکیل هیدرات… 4

1-4        فاکتورهای مؤثر در تشکیل هیدرات… 5

1-5        آب و گاز طبیعی.. 6

1-5-1          آب آزاد. 7

1-6        بیان مساله پژوهش… 8

1-7        ضرورت و اهمیت انجام پژوهش… 9

1-7-1          اهمیت هیدرات‌های گازی.. 10

1-7-2          زمینه‌های تحقیقاتی هیدرات… 11

1-8        وجه تمایز پژوهش با سایر پژوهش‌ها 11

1-9        اهداف پژوهش… 12

1-10         سؤالات پژوهش… 12

1-11         فرضیه‌های پژوهش… 13

1-12         انواع و ساختار هیدرات… 13

1-12-1        ساختار هیدرات نوع I 15

1-12-2        ساختار هیدرات نوع II 15

1-12-3        ساختار هیدرات نوع H. 16

1-13         اندازۀ مولکول مهمان. 17

1-14         سایر تشکیل دهنده‌های هیدرات… 19

1-14-1        فرئون‌ها 19

1-14-2        هالوژن‌ها 19

1-14-3        گازهای نجیب… 19

1-14-4        هوا 19

1-14-5        سایر تشکیل دهنده‌ها 20

1-15         کاربرد‌های هیدرات… 20

1-15-1        کریستال هیدرات در فرآیند‌های جداسازی.. 20

1-15-2        غنی سازی اکسیژن با استفاده از تشکیل هیدرات گازی.. 21

1-15-3        تغلیظ به کمک تشکیل هیدرات… 21

1-15-4        هیدرات گازی و شیرین سازی آب دریا 21

1-15-5        جدا سازی دی اکسید کربن دریایی.. 22

1-15-6        ذخیره و انتقال گاز طبیعی.. 22

1-16         کریستال هیدرات در محیط زیست… 23

1-17         راه‌های جلوگیری از تشکیل هیدرات… 23

1-18         اثر افزودنی‌ها بر تشکیل هیدرات… 24

1-19         عوامل بازدارنده‌ تشکیل هیدرات‌ها 26

1-19-1        بازدارنده‌های ترمودینامیکی.. 27

1-19-2        بازدارنده‌های سینتیکی.. 28

1-19-3        بازدارنده‌های ضدتجمی یا ضد کلوخه ای.. 29

1-19-4        مواد افزودنی که هیدرات‌ها را در یکی از ساختار‌های I، II یا H پایدار می‌کند. 30

²……….. فصل دوم : تاریخچه و تحقیقات انجام شده در مورد هیدرات گازی

2-1        تاریخچه کشف هیدرات… 31

2-2        پیشینه تحقیق در ایران. 32

2-2-1          مطالعات پایه. 33

2-2-1-1          تعادلات فازی.. 33

2-2-1-1-1                مطالعات تجربی.. 33

2-2-1-1-2                مطالعات تئوری.. 35

2-2-1-2          سینتیک تشکیل و تجزیه هیدرات… 36

2-2-1-3          مطالعه ساختارهای مولکولی.. 37

2-2-1-4          خواص فیزیکی – حرارتی.. 38

2-2-2          مباحث زیست محیطی هیدرات… 38

2-2-2-1          اثرات گاز متان بر محیط زیست… 38

2-2-2-2          ذخیره سازی گاز دی اکسید کربن به شکل هیدرات… 39

2-2-3          توسعه هیدرات و کاربردهای نوین.. 39

2-2-3-1          جداسازی مخلوط های گازی.. 39

2-2-3-2          نمک زدایی آب دریا 40

2-2-3-3          ذخیره سازی و انتقال گاز طبیعی به صورت هیدرات… 40

2-2-3-4          ذخیره سازی انرژی گرمایی.. 41

2-2-4          اکتشاف و بهره برداری منابع طبیعی هیدرات گازی.. 41

2-2-5          تحلیل آماری.. 42

2-3        پیشینه تحقیق در خارج از ایران. 42

2-4        نمودارهای فازی برای طبقه بندی هیدرات‌ها 44

2-5        روش‌های محاسباتی دستی برای پیش‌بینی تشکیل هیدرات… 44

2-5-1          روش وزن مخصوص گاز. 45

2-5-2          روش ثابت تعادلی K. 46

2-5-3          روش بیلی- ویچرت… 47

2-5-4          دیگر روابط همبستگی.. 47

2-5-4-1          ماکاگون. 47

2-5-4-2          کوبایاشی و همکاران. 48

2-5-4-3          مطیعی 48

2-5-4-4          کسترگارد و همکاران. 48

2-5-4-5          تولر و مخاطب… 49

2-6        روش‌های رایانه‌ای برای پیش‌بینی تشکیل هیدرات… 49

2-6-1          تعادل فازی.. 49

2-6-2          واندروالس و پلاتیو. 51

2-6-3          پاریش و پراسنیتز. 51

2-6-4          انجی و رابینسون. 52

³……….. فصل سوم : بررسی روش­های بازدارنده در تشکیل هیدرات

3-1        روش تحقیق.. 53

3-2        مرحله قبل از پیدایش هیدرات… 54

3-2-1          نم‌زدایی از گاز طبیعی.. 54

3-2-1-1          نم‌زدایی از طریق گلایکول. 55

3-2-1-1-1                جاذب‌های مایع. 55

3-2-1-1-2                گلایکول‌ها 56

3-2-1-1-3                توصیف فرآیند. 56

3-2-1-2          غربال‌های مولکولی.. 57

3-2-1-2-1                توصیف فرآیند. 58

3-2-1-3          تبرید  59

3-2-1-3-1                توصیف فرآیند. 59

3-3        تشکیل هیدرات حین شروع پدیده 60

3-4        تشکیل هیدرات با پیدایش مستمر پدیده 65

3-4-1          دینامیک سیالات عددی پژوهش… 66

3-4-1-1          مراحل آنالیز جریان به کمک نرم افزار کامسول. 67

3-4-1-2          پیش پردازش…. 67

3-4-1-3          حل عددی میدان جریان. 68

3-4-1-4          پس پردازش نتایج.. 69

3-4-1-5          نکات مهم در شبیه سازی عددی جریان. 70

3-4-1-6          چگونگی شبیه سازی عددی جریان. 71

3-4-1-7          مشکلات عمده 72

3-4-1-8          خطا‌ها 72

3-4-2          تئوری و فرمولاسیون. 73

3-4-2-1          معادلات Mixture Model, Laminar Flow.. 73

3-4-2-2          معادلات  Laminar Flow.. 76

3-4-2-3          معادلات  Heat Transfer in Fluid. 76

3-4-2-4          معادلات  Transport of Diluted Species 77

3-4-3          محاسبات تبخیر ناگهانی.. 77

3-4-4          مدل سازی و شرح مسئله. 78

3-5        مرحله بعد از پیدایش هیدرات… 84

3-5-1          انتخاب بازدارنده برتر. 88

⁴……….. فصل چهارم : تجزیه و تحلیل داده‌ها (یافته‌ها)

4-1        مبارزه با هیدرات با استفاده از گرما و فشار. 92

4-1-1          کاهش فشار. 92

4-1-2          استفاده از گرما 93

4-1-3          اتلاف گرما از یک خط لولۀ مدفون. 94

4-1-3-1          سهم سیال. 95

4-1-3-2          سهم لوله. 95

4-1-3-3          سهم زمین.. 96

4-1-3-4          ضریب کلی انتقال حرارت… 96

4-1-3-5          حرارت منتقل شده 96

4-2        مبارزه با هیدرات با استفاده از مقاومت های انتقال حرارت و انتقال جرم. 97

4-2-1          انتقال جرم. 97

4-2-2          انتقال حرارت… 98

4-3        نتایج شبیه سازی مدل. 99

4-4        نتایج شبیه سازی شبکه انتقال گاز. 111

4-5        انتخاب بازدارنده برتر. 117

⁵……….. فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1        نم‌زدایی گاز. 121

5-2        مقاومت‌های انتقال جرم و حرارت هیدرات… 122

5-3        مدل سازی قطاعی از لوله دارای هیدرات… 123

5-4        شبکه انتقال گاز. 125

5-5        انتخاب بازدارنده برتر. 126

 پیشنهادات ……………………………………………………………………………………………………….128

  منابع و مأخذ …………………………………………………………………………………………………..129

فهرست جدول‌ها

عنوان                                                                                                       صفحه

جدول ‏3‑1 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم متان- آب در دمای 274 کلوین.. 77

جدول ‏3‑2 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم اتان- آب در دمای 274 کلوین.. 77

جدول ‏3‑3 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم پروپان- آب در دمای 274 کلوین.. 78

جدول ‏3‑4 : خواص گوشت لوله از جنس Stainless Steel 79

جدول ‏3‑5 : خواص آب درون لوله به صورت پراکنده 79

جدول ‏3‑6 : خواص گاز درون لوله به صورت پیوسته (گاز متان) 79

جدول ‏3‑7 : شرایط مرزی برای جریان سیال. 79

جدول ‏3‑8 : شرایط مرزی برای فاز پراکنده 79

جدول ‏3‑9 : مشخصات جریان مخلوط در درون لوله. 79

جدول ‏3‑10 : ورودی خواص سیال و ذرات جامد پراکنده به نرم افزار. 80

جدول ‏3‑11 : شرایط مرزی برای جریان سیال. 80

جدول ‏3‑12 : ورودی شرایط سیال آرام داخل لوله به نرم افزار. 80

جدول ‏3‑13 : داده‌های ورودی انتقال حرارت به نرم افزار. 81

جدول ‏3‑14 : شرایط مرزی برای انتقال حرارت داخل لوله. 81

جدول ‏3‑15 : داده‌های ورودی مومنتوم به نرم افزار. 81

جدول ‏3‑16 : شرایط مرزی برای غلظت گونه گازی (متان C_A) داخل لوله. 81

جدول ‏3‑17 : مشخصات مش بندی شبکه لوله. 82

جدول ‏3‑18 : مشخصات حل کننده شبیه سازی.. 82

جدول ‏3‑19 : تفکیک کننده‌های مسئله برای اعتبار سنجی حل کننده 82

جدول ‏3‑20 : داده‌های ورودی خط ایستگاه S003. 84

جدول ‏3‑21 : داده‌های ورودی خط ایستگاه S001. 84

جدول ‏3‑22 : داده‌های خروجی خط ایستگاه D001. 84

جدول ‏3‑23 : ترکیبات ورودی خط S003 به همراه ترکیب درصد‌های مولی.. 84

جدول ‏3‑24 : ترکیبات ورودی خط S001 به همراه ترکیب درصد‌های مولی.. 85

جدول ‏3‑25 : شرایط فیزیکی و محیطی لوله‌های انتقال گاز شبکه. 86

جدول ‏3‑26 : ترکیبات گازی لاوان. 88

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 بیستم. 32

نمودار ‏2‑2 : تعداد مقالات چاپ شده در سال‌های مختلف… 42

نمودار ‏3‑1 : تغییرات ارتفاع در خط L005. 85

نمودار ‏3‑2 : تغییرات ارتفاع در خط L006. 85

نمودار ‏3‑3 : تغییرات ارتفاع در خط L008. 86

نمودار ‏3‑4 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده MeOH با درصد وزنی مختلف… 88

نمودار ‏3‑5 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده NaCL با درصد وزنی مختلف… 88

نمودار ‏3‑6 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده KBr با درصد وزنی مختلف… 89

نمودار ‏3‑7 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده Na₂SO₄ با درصد وزنی مختلف… 89

نمودار ‏3‑8 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده NaF با درصد وزنی مختلف… 89

نمودار ‏3‑9 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده KCL با درصد وزنی مختلف… 90

نمودار ‏4‑1 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پراکنده برای مقطع 5/1 متری ورودی.. 100

نمودار ‏4‑2 : مقایسه غلظت فاز جامد حاصل از مدلسازی، در مقطعی ثابت در زمان‌های مختلف… 101

نمودار ‏4‑3 : توزیع سرعت محوری در زمان‌های 01/0 ،1/0 و 1 ثانیه پس از برقراری جریان. 101

نمودار ‏4‑4 : توزیع غلظت فاز جامد مدلسازی در دو سرعت ورودی 0.061 m/s و 0.029 m/s 102

نمودار ‏4‑5 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی کسر‌حجمی فاز پراکنده در مقطع پایین لوله. 103

نمودار ‏4‑6 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پیوسته در مقطع پایین لوله. 103

نمودار ‏4‑7 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پراکنده در مقطع پایین لوله. 104

نمودار ‏4‑8 : تغییرات دما در طول لوله در سه مقطع اصلی.. 108

نمودار ‏4‑9 : تغییرات فشار در طول لوله در سه مقطع اصلی.. 108

نمودار ‏4‑10 : تغییرات کسر حجمی فاز پراکنده در طول لوله در سه مقطع اصلی.. 109

نمودار ‏4‑11 : تغییرات سرعت مخلوط در طول لوله در سه مقطع اصلی.. 109

نمودار ‏4‑12 : تغییرات دما در قطر لوله در دو مقطع میانی.. 109

نمودار ‏4‑13: تغییرات فشار در قطر لوله در دو مقطع میانی.. 110

نمودار ‏4‑14: تغییرات کسر حجمی فاز پیوسته و پراکنده در قطر لوله در دو مقطع میانی.. 110

نمودار ‏4‑15 : تغییرات غلظت فاز پیوسته و پراکنده در قطر لوله در دو مقطع میانی.. 110

نمودار ‏4‑16 : منحنی‌های تشکیل هیدرات برای هر سه خط شبکه انتقال. 111

نمودار ‏4‑17: تغییرات فشار در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 112

نمودار ‏4‑18: تغییرات دما در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 112

نمودار ‏4‑19 : تغییرات آنتالپی در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 113

نمودار ‏4‑20: تغییرات دانسیته در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 113

نمودار ‏4‑21 : تغییرات ویسکوزیته گاز در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 114

نمودار ‏4‑22 : تغییرات سرعت مخلوط در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 115

نمودار ‏4‑23 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بدون تزریق بازدارنده 116

نمودار ‏4‑24 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با 20 درصد غلظت… 116

نمودار ‏4‑25 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با 30 درصد غلظت… 116

نمودار ‏4‑26 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 10 درصد وزنی.. 119

نمودار ‏4‑27 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 20 درصد وزنی.. 119

نمودار ‏4‑28 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 30 درصد وزنی.. 119

نمودار ‏4‑29 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 40 درصد وزنی.. 120

نمودار ‏4‑30 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 50 درصد وزنی.. 120

نمودار ‏4‑31 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 60 درصد وزنی.. 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 وابستگی هیدرات 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 فازی برای برخی از هیدروکربن گاز طبیعی ساده که هیدرات تشکیل 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 : شماتیکی از مدل لوله به همراه شرایط مرزی.. 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

 برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.

:: بازدید از این مطلب : 37

|

امتیاز مطلب : 0

|

تعداد امتیازدهندگان : 0

|

مجموع امتیاز : 0