بخشی از مقاله
مقدمه
هیدرات گازی ساختار کریستالی شبیه به یخ است که از مولکول های کوچک غیر قطبی یا با قطبیت کممعمولاً( گـاز) تشکیل شده است. مولکول های آب با پیوند هیدروژنی تشکیل قفس هایی می دهند که توسط این مولکول های کوچک پر می شوند و ساختار پایداری تشکیل می دهند که می تواند در دمایی بالاتر از دمای ذوب یخ هم پایدار بماند.[1] هیدرات گـازی در صنایع نفت و گاز از نظر اقتصادی و مسائل ایمنی از اهمیت زیادی برخوردار می باشـد. هیـدرات گـازی در صـورت تشـکیل در خطوط انتقال گاز، باعث انسداد خطوط انتقال می شود[2] همچنین از فرآیند تشکیل هیدرات گازی می توان برای حـذف گـاز دی اکسیدکربن از گازهای حاصل از احتراق در صنایع استفاده کرد.[3]
مطالعه روی هیدرات های گازی از دو منظر ترمودینامیکی و سینتیکی انجام می پذیرد. مطالعه ترمودینـامیکی شـرایط دمایی و فشاری تشکیل هیدرات و مطالعه سینتیکی سرعت تشکیل و رشد کریستال های هیدرات گازی را بررسی می کنند. تـا سال های گذشته به علت استفاده از بازدارنده هـای ترمودینـامیکی در صـنعت، توجـه مهندسـان روی مطالعـه ترمودینـامیکی هیدرات های گازی بوده است ولی امروزه با توجه به روند رو به رشد استفاده از بازدارنده های سینتیکی ( کـه سـرعت تشـکیل هیدرات را تحت تأثیر قرار می دهند) بررسی سینتیک تشکیل هیدرات گازی رو به افزایش است. برای تعیین سرعت تشـکیل و رشد کریستال های هیدرات، از معادلات مختلفی استفاده می شود که پیچیده و نیازمند محاسبات بسیاری می باشند.[4]
بازدارنده های سینتیکی رشد کریستال ها و به تله افتادن هیدروکربن ها در شبکه ی کریسـتالی یـخ را بـه تـأخیر مـی اندازند. اثر آن ها به این شکل است که روی مولکول های آب جذب سطحی می شوند و جلوی تشکیل پیوند شیمیایی مولکـول های گازی با آب را می گیرند. معروف ترین بازدارنده های سینتیکی پلی وینیل پیرولیـدین ,(PVP) پلـی وینیـل کـاپرولاکتوم ,(PVCAP) پلی متیل وینیل لاکتامید ,(VIMA) پلی وینیل والرولاکتام ,(PVVam) پلـی اکریلـو پیرولیـدین (PAPYD) و ترکیبی از این پلیمر ها می باشند. این بازدارنده ها هزینه عملیاتی کمتـری نسـبت بـه بازدارنـده هـای ترمودینـامیکی دارنـد و دوستدار محیط زیست بوده و سمی نمی باشند.[ 5 ]
استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی2 می تواند به عنوان راه جدیدی برای بررسی سـینتیک تشـکیل هیـدرات گـازی مطرح شود. این روش می تواند محققان را از استفاده از معادلات پیچیده و محاسبات فراوان بی نیاز کند. به علت نیاز کمتـر بـه بررسی سینتیک تشکیل هیدرات، تاکنون از روش شبکه عصبی در این شاخه بندرت استفاده شده است ولی بـه علـت کـاربرد روزافزون بازدارنده های هیدرات و یا فرآیند های تشکیل هیدرات، نیاز به بررسی سرعت رشد هیدرات نیز افزایش یافته اسـت و استفاده از شبکه های عصبی می تواند به عنوان روشی قابل قبول و بی نیاز از انجـام محاسـبات مطـرح باشـد. پـیش از ایـن، از شبکه های عصبی برای پیش بینی سرعت رشد کریستال های هیدرات گازی صرفاً بر اساس فشـارهای مختلـف اسـتفاده شـده است[ 6 ] و اکنون در این مقاله، وابستگی سرعت رشد کریستال علاوه بر فشار، به غلظت بازدارنده هم بررسی می شود.
-2 شبکه عصبی مصنوعی
شبکه عصبی شامل شبکهای از عناصر پردازش ساده (نورونها) است، که میتواند رفتار پیچیـده کلـی تعیـین شـدهای از ارتباط بین عناصر پردازش و پارامترهای عنصر را نمایش دهد. منبع اصلی و الهام بخش برای این تکنیـک، از آزمـایش سیسـتم مرکزی عصبی و نورونها، نشأت گرفته است، که یکی از قابل توجهتـرین عناصـر پـردازش اطلاعـات سیسـتم عصـبی را تشـکیل میدهد. در یک مدل شبکه عصبی، گرههای ساده ( نورون ) برای تشکیل شبکهای از گرهها، به هم متصل شده اند. در حالی که یک شبکه عصبی نباید به خودی خود سازگارپذیر باشد، استفاده عملی از آن بواسطه الگوریتمهایی امکان پذیر است، که جهـت تغییر وزن ارتباطات در شبکه (به منظور تولید سیگنال مورد نظر) طراحی شده باشد.
2Artificial Neural Network (ANN)
دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران 25-26 اردیبهشت 1392، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان
خروجی هر نورون به صورت معادله (1) می باشد:
(1)
که در آن، f تابع انتقال یا فعالیت، Oj خروجی نورون ُjام بایاس نورون اُم،Wi j j وزن سیناپسی با توجه به سـیناپس iام از نورون j ام ، xi سیگنال ورودی iام به نوروناُمj و n تعداد سیگنال های ورودی به نورون اُمj می باشد.[7]
در معادله (1) بایاس برای تولید داده های ورودی و ضریب وزنی آن داده هـا مـی باشـد. بیشـترین توابـع انتقـال مـورد استفاده، توابع لگاریتمی، حلقوی3، تانژانت هایپربولیک توابع حلقوی و توابع خطی می باشد. ورودی توابع انتقـال مجمـوع تمـام ورودی ها که در وزن خود ضرب شده اند به همراه بایاس نورون است. توایع انتقال همانند یک فیلتـر عمـل مـی کننـد کـه بـه برخی از سیگنال ها اجازه عبور می دهد و برخی را متوقف می سازد. مدل های مختلفی از شبکه های عصبی نظیر , ART Feed forward network, radial basis function network و Auto associative network می باشد.[8]
-3 داده های تجربی
در این مقاله داده های تجربی برای مقدار دی اکسیدکربن مصرف شده برای تشکیل هیدرات گازی از مرجع شماره (4) استخراج شده اند و در جداول شماره (1) و ( (2 آورده شده اند. این داده ها حاصل انجام آزمایش تشکیل هیدرات در شرایط دما و فشار معین و ثابت است. آب خالص و یا مخلوط شده با دوز معین بازدارنده، درون راکتور از گاز دی اکسید کربن با خلوص 99/95 درصد اشباع شده و در دمای ثابت 7درجه سانتیگراد و دو فشار ثابت 4 و 7 مگاپاسکال قرار داده شد و تشکیل کریستال های هیدرات گازی در آن بررسی گردید. با رشد کریستال ها، گاز دی اکسید کربن به راکتور تزریق می شود و مقدار مصرف این گاز ثبت می شود. این داده ها مقدار مصرف دی اکسیدکربن برای تشکیل هیدرات گازی را بر حسب زمان و در دو فشار 4 و 7 مگاپاسکال و در حضور بازدارنده پلی وینیل پیرولیدن4 با غلظت های2500،200،100 و ppm 5000 و همچنین بدون حضور بازدارنده نشان می دهند.
جدول :1 مقدار دی اکسیدکربن مصرف شده برای تشکیل هیدرات در دمای 280/15 کلوین و فشار 4MPa ودر حضور بازدارنده PVP در غلظت های 5000ppm ، 2500 ، 200 ، 100، [4]. 0
5000
time 2500 ppm time 200 time 100 time No time
ppm ppm ppm inhibitor
0.52459 149.53 0.52459 138.1 0 81.905 0.52459 61.908 0.52459 23.813
2.623 157.16 3.6721 147.64 3.1475 90.495 4.7213 70.504 1.5738 33.343
2.623 167.63 3.6721 158.12 4.1967 99.073 5.7705 80.987 2.623 42.873
3.6721 177.16 4.7213 166.69 4.7213 110.5 7.3443 90.52 3.1475 52.4
3.6721 186.69 5.2459 177.17 6.2951 120.04 9.9672 99.107 6.2951 60.99
4.7213 196.22 5.2459 185.75 7.3443 128.62 13.115 109.6 8.918 70.529
5.7705 205.75 6.8197 195.28 9.9672 138.15 16.787 120.1 9.9672 81.012
6.2951 215.28 7.3443 204.81 12.59 147.69 21.508 129.65 13.115 90.554
7.8689 224.81 8.918 215.29 14.689 157.23 26.23 138.25 17.836 100.11
8.918 235.29 10.492 224.82 17.311 165.82 32 148.76 23.082 109.66
9.4426 244.82 11.016 234.35 20.984 176.32 39.869 158.33 30.951 119.23
11.016 253.4 13.115 243.89 24.656 185.86 46.689 167.9 38.82 128.8
660.21 138.3848.262176.5255.082195.4128.328253.4113.115262.93
12.066 273.41 15.738 262.95 32.525 205.91 64.525 187.05 58.23 147.97
14.164 282.94 17.311 272.48 36.721 215.46 73.443 196.63 70.82 158.52
312.51 167.1683.41205.2682.885224.0540.393282.0218.885292.47
3sigmoid 4polyvinylpyrrolidone (PVP)
تخمین سرعت رشد کریستال های هیدرات گازی
16.787 301.05 22.033 292.51 45.639 233.6 95.475 214.85 98.623 178.68
18.361 310.59 23.082 302.04 51.41 243.16 105.44 224.44 111.74 187.33
20.984 321.08 25.18 310.63 56.656 253.67 118.03 234.99 125.38 196.94
805.12 245.55132.2263.2260.852321.1126.754330.6
706.32 254.22148.98272.7968.197330.6528.852340.14
32.62 282.3573.967339.2432349.68
972.72 292.8781.836358.3136.197359.21
209.92 301.4888.656368.8139.344369.7
159.3 312.0197.049378.3542.492378.28
940.33 321.57104.39387.8844.59387.82
841.53 330.2114.36396.4848.262397.35
77.73 339.78123.28407.9351.934406.89
443.93 349.36132.72417.4755.607416.42
393.4 358.96144.79426.0658.23426.91
660.44 435.6263.475436.45
461.64 446.1167.148445.04
787.84 454.7272.393455.53
954.25 464.2777.115466.03
755.45 473.8282.361474.61
81.75 484.3590.23484.15
جدول :2 مقدار دی اکسیدکربن مصرف شده برای تشکیل هیدرات در دمای 280/15 کلوین و فشار 7MPa ودر حضور بازدارنده PVP در غلظت های 5000ppm ، 2500 ، 200 ، 100، [4]. 0
5000 time 2500 ppm time 200 time 100 time No time
ppm ppm ppm inhibitor
1.0417 96.004 1.0417 50.186 0 68.727 0 68.727 2.0833 21.826
1.0417 105.82 1.0417 60.004 9.375 86.216 9.375 77.489 2.0833 31.644
2.0833 115.64 5.2083 68.746 12.5 97.136 14.583 87.326 4.1667 41.47
4.1667 125.47 7.2917 77.481 13.542 104.78 17.708 96.064 3.125 50.193
4.1667 134.2 8.3333 88.394 21.875 115.72 21.875 104.81 5.2083 60.019
6.25 144.02 9.375 96.034 28.125 125.56 29.167 114.65 7.2917 68.754
6.25 151.66 9.375 104.76 35.417 134.31 39.583 124.51 12.5 78.591
8.3333 161.48 10.417 114.58 44.792 143.07 53.125 134.37 19.792 87.345
8.3333 170.21 11.458 124.41 56.25 151.84 65.625 143.15 27.083 96.098
11.458 180.04 16.667 134.24 67.708 161.7 82.292 151.94 33.333 105.94
12.5 188.77 19.792 142.98 82.292 170.48 98.958 160.72 43.75 114.7
14.583 197.51 25 152.82 101.04 180.37 118.75 170.61 57.292 124.57
766.61 133.3878.125180.52143.75189.16117.71160.4729.167208.42
807.71 143.2797.917189.34169.79199.03133.33170.3136.458217.16
338.2 152.07118.75198.16193.75207.85158.33180.1642.708225.89
22.917 234.63 50 188.91 176.04 216.64 230.21 208.11 143.75 161.98
25 244.45 57.292 198.75 202.08 226.55 261.46 218.04 172.92 170.81
380.72 180.75206.25226.89294.79236.47228.12207.5266.667253.19
30.208 263.02 76.042 216.28 258.33 245.3 239.58 189.6
33.333 271.76 85.417 226.13 290.62 254.15 277.08 198.46
854.63 235.9895.833281.59
526.4 244.75106.25291.42
807.24 253.52117.71300.16
719.74 262.3131.25308.9
380.25 272.17146.87318.73
802.55 280.94159.37327.47
714.6 290.81173.96336.22
385.46 300.69190.62346.05
807.76 309.47205.21355.88
578.17 319.36223.96365.72
380.77 328.16244.79374.46
292.28 338.04 261.46 384.3
