بخشی از مقاله
-1 مقدمه هیدرات گازی جامدهای کریستالی هستند که یک ملکول مهمان (معمولا گاز) در میان یک قفسی از ملکول های آب
که با پیوند هیدروژنی به هم متصل شدهاند، قرار گرفته است .>1@ برای اولین بار مطالعه بر روی هیدرات گازی به علت مشکلات حاصل از تشکیل هیدرات در خطوط انتقال مواد هیدروکربونی، شروع شده و ماهیت تحقیق های انجام گرفته روی آن با هدف جلوگیری از تشکیل هیدرات و حل مشکلات ایمنی و فرایندی حاصل از آنها بوده بوده است . [3 ,2 ] بررسیهای آزمایشگاهی نشان دهنده این است که هیدرات گازی ظرفیت بالایی برای ذخیره سازی گاز طبیعی دارد[4]، همچنین از هیدرات گازی در فرایند شیرین سازی آب، تغلیظ محلولها ویا جداسازی برخی از گازها میتوان استفاده کرد.[8-5] یکی دیگر از کاربردهای پیشبینی شده برای هیدرات گازی، استفاده از آن برای انتقال گاز طبیعی است .[9] با شناسایی شدن کاربرد-های صنعتی پیشنهاد شده برای هیدرات گازی تلاش برای تولید آن با فرایندهای مختلف شروع شده است. بررسیهای اقتصادی که برروی استفاده از هیدرات در فرایندهای ذکر شده انجام شده اقتصادی بودن آنها را نشان میدهد. علیرغم این مطالعات استفاده از هیدرات گازی تا به امروز صنعتی نشده است. مقالات مختلفی در ضمینه تسهیل شرایط ترمودینامیکی و سینتیکی هیدرات مطالعه کرده اند.[11 ,10] در این مقالات سعی شده که با اضافه کردن مواد افزودنی شرایط عملیاتی برای تولید هیدرات راحتتر شود. باید توجه داشت که یک نقطه کلیدی در استفاده از هیدرات گازی در فرایندهای گوناگون تولید پیوسته هیدرات گازی، با حداقل انرژی مصرفی به ازای هر کیلوگرم هیدرات تولید شده و جداسازی کریستالهای هیدرات از آب واکنش نداده است. با توجه ویژگیها ومزایای فرایندهای پیوسته نیاز به ارائه فرایند، دستگاهها و سیستم کنترلی برای فرایندهای پیوسته تشکیل هیدرات گازی محسوس است. با توجه به اهمیت حداقل شدن انرژی مصرف شده یه ازای تولید هر کیلوگرم از هیدرات، فرایند تولید هیدرات گازی باید طوری طراحی شود که کمترین مصرف انرژی و بیشترین عمر عملکرد را داشته باشد، در نتیجه استفاده از سیستم های مکانیکی مانند همزن ها و سلول های با حرکت رفت و برگشتی به منظور کاهش مصرف انرژی و همچنین افزایش عمر دستگاه ها باید به حداقل برسد. در منابع علمی فرایندهایی برای تولید هیدرات گازی در سیستمهای مختلف بیان شدهاند[ 22-12 , 8 ,4] ، با این وجود ارائه فرایندها و دستگاههایی که هیدرات گازی را به طور پیوسته تولید کند نیازمند توجه بیشتر است. در این مقاله یک سیستم تشکیل و حبه سازی هیدرات آورده شده که درآن همزن ویا سلول متحرک برای فرایند کرستالیزیسیون حذف شده و طراحی نوآورانهایی برای هستهزایی و تشکیل کریستال هیدرات ارائه شده است.
-2 تعریف مسئله
در این مطالعه فرایند تولید هیدرات را به دو گره تقسیم میکنیم. .1,2 چگونه شرایط مناسب برای تشکیل هیدرات گازی را فراهم کنیم
شباهت زیادی بین عملیات کریستالیزاسیون یک نمک از محلول فوق اشباع آن و فرایند تولید کریستال هیدرات وجود دارد و اساسا تشکیل هیدرات یک فرایند کریستالیزاسیون است، اما معمولا تلقی ذهنی ما از فرایند کریستالیزاسیون انجام آن با کاهش دما در فشار ثابت و غالبا اتمسفریک است. [23 ] در حالی که در فرایند کریستالیزاسیون هیدرات، با کاهش دما و افزایش فشار نیرو محرکه تشکیل کریستال فراهم میشود. در فرایند کریستالیزاسیون، ابتدا باید محلول فوق اشباع از مواد اولیه حاصل شود تا فرایند شروع شود. ایجاد کریستال خود منتج از دو فرایند هستهزایی و رشد است در یک سیستم مناسب برای تشکیل هیدرات پارامترهای طراحی باید طوری انتخاب شوند که بیشترین سرعت تشکیل هیدرات در سیستم ایجاد شود. عوامل تاثیر گذار بر سرعت تشکیل کریستال هیدرات عبارتند از:(1 فوق اشباع بودن بیشتر(سابکولینگ بیشتر، فشار بیشتر و غلظت اولیه بیشتر) (2 مقاومت انتقال جرم کمتر (3 مقاومت انتقال حرارت کمتر (4 مکان هستهزایی مناسب. در طراحی این
فرایند، شکل 1، و طراحی محفظه واکنش، شکل2 ، چهار عامل فوق، در طراحی سهم داشتهاند.با توجه به گرمازا بودن تشکیل هیدرات، باید گرمای تشکیل از سیستم خارج شود تا شرایط عملیاتی ثابت بمانند و نیروی محرکه تشکیل هیدرات کم نشود.
×شکل1 نمودار جریانی فرایند تولید هیدرات گازی به صورت پیوسته نام گذاری ها:((1 واحد همزنش اولیه، (2) واحد راکتور (کریستالیزور)، (3) مخزن گاز، (4) مخزن آب، (5) جریان ورودی گاز به واحد 1،
(6) جریان ورودی گاز به واحد 2، (7) جریان ورودی آب و گاز مخلوط شده به واحد 2، (8) سیستم هدایت سنجی و اکتساب داده های هدایت الکتریکی، (9) سیستم اکتساب داده های دما - فشار ، (10) واحد سرمایش (کنترل دما)، (11) واحد تخلیه کریستال، (12) دوربین، (13) کنترل کننده جریان.
2,2. پس از این که کریستال هیدرات تشکیل شد چگونه آن را جدا کره و حبه نماییم
برای پایداری بیشتر ذرات هیدرات، برای انتقال یا ذخیره سازی پیشنهاد شده است کریستالهای هیدرات به صورت حبه در آیند.[25 ,24 ,16 ,14] بدین منظور بعد از تشکیل هیدرات در راکتور و ورود ذرات جامد به سیستم حبه کننده با فشار ایجاد شده توسط جک پنوماتیک هیدرات حبه شده و سپس از سیستم خارج میشود. سیستم حبه کن طوری طراحی شده که با وجود خروج هیدرات از سیستم، گاز داخل راکتور از سیستم خارج نمیشود شکل 3،چهار مرحله از عملکرد این سیستم را نشان میدهند.
فرایند تولید وحبه سازی هیدرات گازی به صورت پیوسته، با تاکید بر مکان هستهزایی و حذف نیاز به جداسازی هیدرات
شکل 2، نمای از کنار محفظه واکنش به صورت باز شده
شکل3، سیستم حبه سازی و خروج هیدرات از محفظه با هدف حداقل افت فشاردر محفظه، در وضعیت :A شیر ورود هیدرات به سیستم حبه سازی بسته است و دو شفت متحرک در دو طرف قرار گرفتهاند. سیستم حبه سازی در وضعیت : B شفت سمت راست ثابت است و شفت سمت چپ با ضربه ذرات هیدرات را به صورت حبه در میآورد. : سیستم حبه سازی در وضعیت:C هر دو شفت به سمت راست حرکت کرده تا جایی که حبه هیدرات از سیستم به کمک جاذبه خارج شود. سیستم حبه سازی در وضعیت : D برگشت هر دو شفت به حالت اولیه و ورود مجدد محلول به راکتور برای تشکیل هیدرات.
-3× شرح فرایند
نمودار جریانی فرایند تولید هیدرات گازی به صورت پیوسته
