بخشی از مقاله
بررسی هیدرات گازی و روش های جلوگیری از تشکیل آن
چکیده
این تحقیق ابتدا به بررسی ساختمان هیدرات های گازی و شرایط ترمو دینامیکی وسینتیکی تشکیل هیدرات می پردازد و سپس معایب و مزایای تشکیل هیدرات ها مورد بررسی قرار میگیرد. در ادامه نیز به کاربرد های هیدرات در صنعت اشاره می شود،ولی هدف اصلی تحقیق، تاکید بر روش های جلوگیری از تشکیل هیدرات در صنعت نفت و گاز است. مهم ترین روش مورد استفاده در چند سال اخیر استفاده از تزریق بازدارنده های شیمیایی به خطوط انتقال گاز می باشد که در این تحقیق بیشتر مورد بررسی قرار می گیرد.
کلمات کلیدی: هیدرات گازی ، ذخیره سازی گاز،بازدارنده ترمودینامیکی،بازدارنده سینتیکی،بازدارنده ضد کلوخه ای
مقدمه
گاز طبیعی و نفت خام به طور طبیعی در مخازن زیرزمینی در تماس با آب می باشند. مولکولهای آب به خاطر داشتن پیوندهای هیدروژنی قوی با به وجود آوردن حفره هایی، ساختار شبکه ای تشکیل می دهند. هیدرات های گازی ،ترکیبی با شــبکه بلوری هســتند که از پیوســتن و قــرار گرفتن مولکول گازهای ســبک به عنوان مهمــان در حفرات موجود در مولکول هــای آب به عنوان میزبــان، تحت شــرایط مناســبی از دما و فشــار به وجود می آیند. تشکیل هیدرات عامل جدی و اساسی در انسداد تجهیزات فرآیندی و لوله های موجود در استخراج نفت و عملیات تولیدی در صنعت پتروشیمی و پالایشگاه و همچنین در خطوط انتقال گاز در شرایط دمای پایین و فشار بالا به شمار می رود.
از طرفی در استخراج و انتقال نفت و گاز در شرایط زیر دریا، وجود آب دریا (آب نمک) همراه با تولیدات هیدروکربوری، تاثیر بسزایی در شرایط تشکیل هیدرات های گازی می گذارد. در نتیجه داشتن داده های تعادلی تشکیل هیدرات در حضور بازدارنده های مختلف با احتساب وجود الکترولیت در سیستم از اهمیت بالایی برخوردار است. به علاوه جهت توسعه دادن مدلهای ترمودینامیکی و دیگر روشهای پیش بینی دما و فشار تشکیل هیدرات، محاسبه مقدار و اثر بازدارنده و همچنین در بحث طراحی تجهیزات و دستگاههای عملیاتی در صنعت نفت و گاز، در اختیار داشتن داده های دقیق تعادلی از هیدرات برای عناصر اصلی گاز طبیعی در حضور محلول های بازدارنده مورد نیاز می باشد.
تشکیل هیدرات دارای معایب و مزایای متعددی می باشد. کارایی هیدرات گازی در ذخیره سازی گاز طبیعی، باعث استفاده از آن برای مقاصد ذخیره سازی و حمل و نقل گـاز طبیعـی است. ازدیگر کاربردهای هیدراتهای گازی تهیه آب آشامیدنی از آب دریا و حذف گازهای گلخانه ای از هوای شهر می باشد. با توجه به این فواید هیدرات گازی تحقیقات در مورد بهبود سرعت تشکیل آن می تواند مفید واقع شود.
ایران از جمله کشورهایی است که دارای ذخایر غنی گاز طبیعی است. یکی از مشکلات مهم مربوط به گاز طبیعی، تشکیل هیدرات های گازی است که می تواند مشکلات زیادی را در صنایع نفت و گاز ایجاد کند. تشکیل هیدرات در خطوط انتقال جریان گاز طبیعی باعث بسته شدن مسیر خطوط لوله انتقال می شود و هر ساله باعث می شود مشکلات اقتصادی بزرگی برای صنایع نفت و گاز ،ایجاد شود. روش های مختلفی برای جلوگیری از تشکیل هیدرات وجود دارد که در ادامه به آن خواهیم پرداخت .
شکل(:(1 مسدود شدن خط لوله توسط هیدرات گازی(محمد آقا بیگی ،(1389
ساختار هیدرات
گاز طبیعی معمولا شامل اجزایی نظیر متان، اتان، پروپان، ایزوبوتان، کربن دی اکسید و هیدروژن سولفید می باشد که همگی میتوانند کریستال هیدرات گازی تشکیل دهند. همچنین، گازهای دیگری نظیر نئون، آرگون، کریپتون، گزنون، نیتروژن و اکسیژن و یا هیدروکربن هایی نظیر سیکلو پروپان نیز قادر به ایجاد کریستال هیدرات می باشند. هیچ برهم کنش شیمیایی میان مولکولهای مهمان (گاز)- میزبان ( آب) وجود ندارد و آنها تنها با نیروهای واندروالسی کنار هم نگاه داشته می شوندولی خود مولکول های آب از طریق پیوند هیدروژنی به هم متصل می شوند.
تحقیقات کلاوسن در سال 1951 و پاولینگ درسال 1952نشان داده است که هیدرات های گازی می توانند به یکی از دو ساختار مکعبیII,I کریستالیزه شوند. به عبارت دیگر آب می تواند تشکیل دو نوع شبکه هیدرات بدهد که به ترتیب ساختار II,I نامیده می شود. هر دو نوع شبکه هیدرات شامل تعدادی حفره های کوچک و بزرگ است. در یک هیدرات پایدار ,تعدادی از حفره های میزبان ( آب )توسط ترکیبات گازی که مولکولهای مهمان نامیده می شوند اشغال می گردند . تنها گازهایی که دارای قطر مولکولی کوچکتر از حفره ها و شکل هندسی مناسب هستند می توانند وارد حفره ها شوند. اخیرا توسط آزمایشات پراش ساختار جدیدی برای هیدرات گزارش شده است که به ساختار H معروف است در شکل زیر واحد های کریستالی هر سه ساختار نشان داده شده است(اسلوان ،2008، .(4
در این زمینه در ایران نیز مطالعاتی صورت گرفته است، که به صورت زیر بیان می شود:
در ابتداعرفان نیا و همکاران (عرفان نیا ،مدرس ،(2011،کاربرد شبیه سـازی دینامیـک مولکـول1 در مطالعـه ی سـاختار Ι هیدرات متان+ اتان را بررسی کردند. در این مقالـه اثـرات متـان بـه همـراه اتـان بـه عنـوان مولکـول مهمـان بـر روی پایـداری ترمودینامیکی ساختار Ι با ارزیابی خواص ترمودینامیکی شـرح داده شـده اسـت. پس ازآن عرفان نیاو مـدرس(عرفان نیا ،مدرس،2011 )شبیه سازی دینامیـک مولکـولی سـاختار H هیـدرات بـا دو مولکـول مهمـان را بررسـی کردنـد . در ایـن مقالـه اثـرات متان و مولکول های مهمان دوتایی بـر روی پایـداری ترمودینـامیکی بـرای سـاختار H هیـدرات بـا ارزیـابی خـواص ترمودینامیکی شرح داده شده است همچنین صادقی فر و همکاران(صادقی فر،دادور ، 2011 )روش ولف را برای هیدرات گازی نوع Iمتان وکربن دی اکسید به کار بردند.روش ولف برای محاسبه ی تعاملات کولمبیک کربن دی اکسید پیشنهاد شده است.
(c)ساختار(b) Hساختار (a) II
شکل(:(2 ساختار هیدرات گازی ( http://www.iran-eng.com)
روش های جلوگیری از تشکیل هیدرات گازی
یکی از اساسیترین مشکلات در خطوط انتقال نفت و گاز، تشکیل کریستالهای هیدرات و مسدود شدن این خطوط میباشد. شرایط لازم برای تشکیل هیدرات عبارت است از: پایین بودن دما، بالا بودن فشار و وجود گاز طبیعی یا هیدروکربن های سبک در حضور آب. بنابراین برای جلوگیری از تشکیل هیدرات باید یکی از این سه فاکتور اساسی را حذف و یا کنترل کرد. برای به تأخیر انداختن زمان تشکیل هیدرات و حتی جلوگیری از تشکیل هیدرات روشهای مختلفی وجود دارد که شامل:
کنترل دما و فشار، آب زدایی از سیال و استفاده از بازدارندهها هستند که با توجه به شرایط محیطی و اقتصادی، مورد استفاده قرار میگیرند.
بدین منظور، روشهای جلوگیری از تشکیل هیدرات شامل:
حل مشکل در سر چاه(هامر اشمیت ،1939 ،(11 (کتز،1990، (5
در سر چاه دو تکنیک مورد استفاده قرار می گیرد.
-1گرم کردن جریان گاز به طوری که دمای جریان گاز بالاتر از دمای تشکیل هیدرات قرار بگیرد.
-2اگر آب مایع درون سیستم باشد بالا بردن دما مشکل می شود درنتیجه باید از تزریق موادی به سیستم استفاده شود که باعث شود دمای تشکیل هیدرات کاهش یابد تا از تشکیل هیدرات جلوگیری شود.
در خط لوله های طولانی گاز به دمای محیط نزدیک شده وممکن است از تزریق شیمیایی استفاده شود.علاوه بر این راه های دیگری نیز وجود دارد.
-1 تغییر شرایط عملیاتی فرآیند تا جائیکه هیدرات تشکیل نشود و نگهداشتن شرایط دما و فشار خارج از ناحیه تشکیل هیدرات. این کار با سوق دادن منحنی پوشش هیدرات به سمت چپ به وسیله عایق سازی و گرم کردن جریان داخل لوله (روش
حرارتی) و کاهش فشار فرآیند انجام میشود، که باعث میشود دما به بالای دمای تشکیل هیدرات برسد..
شکل :(3)نمودارترمودینامیکی تشکیل هیدرات گازی(ترول والبرگ،2006، (2
-2 حذف آب از جریان خطوط انتقال نفت و گاز برای جلوگیری از تشکیل آب آزاد. اگر ملکولهای آب در فاز نفت یا گاز حل شده باشند %0/001) وزنی) جدا کردن آب از فاز گازی غیر ممکن خواهد بود.
-3 راه حل دیگر اضافه کردن موادی به سیستم است که شرایط تشکیل هیدرات را تغییر می دهدو باعث جلوگیری از تشکیل هیدرات می شود.
این تحقیق بیشتر به روش سوم که استفاده از بازدارنده ها می باشد می پردازد.
بازدارنده های شیمیایی
بازدارندههای هیدرات مواد شیمیایی هستند که ملکولهای آب را مصرف کرده و مانع از تشکیل هیدرات میشوند. انواع مختلفی از بازدارندهها وجود دارند که با توجه به اثر هر کدام از آنها (ترمودینامیکی و سینتیکی) بر روی فرآیند تشکیل هیدرات، تقسیم بندی میشوند.بازدارنده های ترمودینامیکی با تاثیر بر روی اکتیویته اب نمودار تعادل فازی را جا به جا می کند.بازدارنده های سینتیکی باجذب سطحی روی مولکول هاب اب جلوی انتقال جرم مولکول های گازی به درون اب را می گیرد وزمان تشکیل هیدرات را به تاخیر می اندازد.
بازدارنده های ترمو دینامیکی 1
بازدارنده های ترمودینامیکی به گونه ای هستند که میزان مصرف آنها زیاد است و وظیفه تغییر شرایط ترمودینامیکی تشکیل هیدرات را به عهده دارند.از بازدارنده های ترمودینامیکی می توان به الکل ها و گلایکول ها وهمچنین نمک ها اشاره کرد.عملکرد آنها به
