بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق ، عملیات آب زدایی از نفت خام در یک سیستم ناپیوسته تحت تاثیر میدان الکتریکی غیر یکنواخت با جریان متناوب - AC - الکترودهای مجزا مورد بررسی قرار گرفت. شکل هندسی سیستم در این روش به گونه ای است که موجب ایجاد میدان الکتریکی غیر یکنواخت شده که نسبت به میدان الکتریکی یکنواخت راندمان بالاتری را نشان می دهد. از طرف دیگر احتمال اتصال کوتاه بین الکترودها در نتیجه کاهش ولتاژ، به دلیل بالا بودن غلظت فاز پراکنده - آب - به صفر می رسد،چون الکترودها کاملاً مجزا و جدا از هم هستند. همچنین اثر پارامترهای عملیاتی شامل ولتاژ، دما، جزء حجمی و pH آب پراکنده شده در نفت خام، روی بازده آبزدایی بررسی شد. 16 آزمایش به وسیله نرم افزار Minitab طراحی گردید و پس از انجام آزمایش ها مشخص شد، بازده آب زدایی با افزایش ولتاژ، دما و جزء حجمی آب افزایش یافته و در pH=7 مقدار بیشینه خود را داراست. علاوه بر این، مقدار پارامترها در نقطه بهینه مشخص گردید و بازده دراین نقطه ، توسط نرم افزار مورد پیش بینی قرار گرفت و با انجام آزمایش در نقطه بهینه مشاهده شد نتیجه به دست آمده مطابقت خوبی با بازده بهینه پیش بینی شده دارد.
واژه های کلیدی: آب زدایی، نفت خام، میدان الکتریکی، ولتاژ، دما، جزء حجمی، .pH
- 1مقدمه و مبانی نظری
نفت خام اغلب با مقدار زیادی آب استخراج می شود چون آب به طور طبیعی در مخازن وجود دارد یا برای ازدیاد برداشت و حفظ فشار به چاه تزریق می گردد.[1] همچنین آب همراه نفت حاوی نمک های محلولی است که این نمک ها ا انواع متفاوتی هستند ولی عمدتاً شامل کلریدهای سدیم، کلسیم و منیزم می باشند. قطرات آب پراکنده شده معمولاً برای جلوگیری از گرفتگی کاتالیست، خوردگی خطوط لوله و تجهیزات پالایش، افزایش حجم نفت و ارائه کیفیت خوب آن نیاز به جداسازی دارند.[2] در پالایش نفت خام، روش های نمک زدایی برای حذف نمک های حل شده، شامل مخلوط کردن نفت ورودی به پالایشگاه با آب شست و شو می باشند.[3] هنگامی که نفت خام و آب مخلوط می شوند، امولسیون آب در نفت تشکیل می شود که پایداری چنین امولسیون هایی به علت حضور مواد سطح فعال طبیعی، به ویژه آسفالتن ها، در نفت خام، بسیار بالا می باشد.
این مولکول ها نوعی پوسته دور قطرات آب تشکیل می دهند که به شدت انعقاد قطره ها را کاهش می دهد.[1] آسفالتن ها سنگین ترین و قطبی ترین جزء نفت خام هستند.[4] چندین روش برای ناپایدارسازی این امولسیون ها وجود دارد از قبیل: روش شیمیایی، ته نشینی گرانشی، سانتریفوژ کردن، تنظیم pH، فیلتراسیون، تصفیه حرارتی، جداسازی غشایی و شکست امولسیون به روش الکتروستاتیکی. در این میان روش الکتریکی یکی از موثرترین روش هاست و در صنعت به کار می رود. [5] اصول فیزیکی پشت روش انعقاد الکتریکی، فعل و انفعال بین میدان الکتریکی و قطره هاست که منجر به باردار شدن قطره ها به وسیله القا شده، سپس تماس و تراکم قطره ها و نهایتاً انعقاد و ته نشینی آن ها اتفاق می افتد. وقتی که دو قطره به هم نزدیک می شوند، سطوح قطره ها توسط فیلم نازکی از فاز پیوسته نفتی از هم جدا می شوند. در میدان های الکتریکی قوی انعقاد قطره- قطره و انعقاد قطره- سطح مشترک هنگامی رخ می دهد که فیلم بین سطحی گسسته شود.[6]
- 2روش و مراحل تحقیق
در این تحقیق آزمایشگاهی، امولسیون آب در نفت با مخلوط نمودن مقادیر مختلف آب مقطر در نفت خام، توسط یک همزن مکانیکی با دور 1300rpm طی 3 دقیقه در دمای محیط ساخته شد. قبل از انجام آزمایش، 0/04cc هگزیل آمین را به 1/96cc تولوئن اضافه می کنیم که هگزیل آمین به عنوان دمولسیفایر - Demulsifier - و تولوئن به عنوان حلال به کار برده می شوند. سپس محلول فوق به امولسیون مورد نظر اضافه و به خوبی مخلوط می کنیم تا یک نمونه همگن به دست آید. امولسیون نهایی حاوی دمولسیفایر با غلظت حدود 600ppm می باشد. دستگاه جداساز از سه استوانه شیشه ای تو در تو - هم مرکز - تشکیل شده است که از بیرون قابل مشاهده و کنترل می باشد. استوانه مرکزی حاوی نمونه امولسیون؛ استوانه دومی حاوی اسید کلریدریک 30 درصد حجمی و استوانه بیرونی - بزرگترین استوانه - مبدل حرارتی است.
استوانه حاوی امولسیون به قطر 1/8 و ارتفاع 33/6 سانتیمتر، استوانه حاوی اسید به قطر 4/2 و ارتفاع 33/3 سانتیمتر و استوانه حاوی آب تنظیم کننده دما به قطر 6/6 و ارتفاع 31/5 سانتیمتر می باشد. آزمایش ها روی امولسیون ساکن به حجم 50cc و در فشار اتمسفر انجام می گیرد. جهت ایجاد ولتاژهای مختلف از یک دستگاه ترانس که قابلیت ایجاد جریان متناوب - AC - را داراست استفاده شده است. در استوانه مرکزی حاوی امولسیون یک الکترود فلزی به قطر 0/5 سانتیمتر قرار دارد که یک سر آن به یک سیم رسانا متصل می باشد. در استوانه مجاور به عنوان الکترود دوم از اسید کلریدریک 30 درصد حجمی استفاده شده است که در داخل آن نیز یک سیم رسانا قرار می گیرد. سر دیگر هر یک از سیم ها به ترانس متصل می شود که پس از برقراری جریان میدان الکتریکی غیر یکنواخت ایجاد می شود که جهت میدان از جداره ظرف حاوی نفت خام به سمت مرکز که قویترین میدان در آن شکل می گیرد، می باشد .
در محفظه بیرونی آب به طور پیوسته توسط پمپ کوچکی که داخل حمام آب گرم قرار دارد در دماهای مختلف جهت انتقال گرما به اسید و نفت خام در جریان است. به محض برقراری جریان بار الکتریکی در سطح خارجی قطرات القاء می شود. قطرات صرف نظر از نوع باری که دارند به سمت الکترودی کشیده می شوند که قویترین میدان الکتریکی در آنجا حاکم است - الکترود فلزی در مرکز - . خطوط شار میدان در مرکز به هم می رسند که نشان دهنده قویترین میدان آنجاست که بیشترین برخوردهای ذرات به هم در آنجا اتفاق می افتد. هر چقدر از مرکز فاصله گرفته شود به همان نسبت شدت میدان ضعیف تر است.
در این تحقیق روی عواملی نظیر ولتاژ، دما، جزء حجمی و pH آب بر میزان جداسازی آب از نفت خام بررسی به عمل آمد. مقادیر پارامترها برای ولتاژ 10000، 11000، 12000 و13000 ولت، برای دما 40، 50، 60 و 70 درجه سانتیگراد، برای جزء حجمی آب 0/05، 0/1، 0/15و 0/2 و برای pH آب 5، 7، 9و 11 بوده اند. همچنین فرکانس جریان و زمان جداسازی برای همه آزمایش ها به ترتیب 50Hz و 6 دقیقه بوده است. میزان جداسازی با اندازه گیری مقدار حجمی آب جمع شده در انتهای استوانه مرکزی انجام گرفت.
- 3ارائه و تحلیل نتایج
در تحقیق حاضر، طراحی آزمایش ها توسط نرم افزار Minitab و الگوریتم تاگوچی صورت گرفت. به این ترتیب که نرم افزار با دریافت پارامترها و مقادیر آن ها که در قسمت قبل آورده شد، 16 آزمایش تحت شرایط گوناگون طراحی کرد. پس از انجام آزمایش ها و تعیین مقدار آب جدا شده، بازده آب زدایی برای هر آزمایش مشخص و به نرم افزار داده شد. سپس نرم افزار تاثیر هر یک از پارامترها، روی بازده را به وسیله نمودارهایی مشخص نمود که در ادامه بررسی می شود.
درشکل-1الف اثر میزان ولتاژ بر راندمان جداسازی نشان داده شده است. بالارفتن راندمان در اثر ازدیاد ولتاژ به علت تاثیرپذیری بیشتر قطره ها از افزایش شدت میدان الکتریکی در فاصله های مختلف نسبت به الکترود مرکزی می باشد. بنابراین هنگامی که نیروی جاذبه افزایش می یابد زمان بین برخوردها کاهش یافته که می تواند برخوردهای بیشتر و موثرتری طی همان دوره زمانی اتفاق بیفتد. شکل -1ب نشان می دهد بازده آبزدایی با افزایش غلظت - جزءحجمی - آب افزایش می یابد چون با بالا رفتن غلظت آب، تعداد قطره ها زیاد و فاصله بین آنها کم می شود، در نتیجه برخوردهای بیشتری بین آنها اتفاق می افتد.
از طرف دیگر وقتی غلظت آب افزایش پیدا می کند اندازه قطره ها نیز افزایش یافته بنابراین با تعداد برخورد کمتری به اندازه مناسب برای ته نشینی می رسند. با توجه به شکل - 1 ج بازده آب زدایی با افزایش دما افزایش می یابد. زیرا با افزایش دما گرانروی نفت خام کاهش یافته بنابراین قطره های آب آسان تر در فاز پیوسته حرکت کرده و سرعت حرکت آن ها افزایش پیدا می کند پس تعداد برخوردها در یک مقطع زمانی بیشتر می شود. از طرف دیگر با افزایش دما و کاهش گرانروی نفت، ضخامت و چسبندگی فیلم اطراف قطره های آب به دلیل نفوذ و جذب آسان تر مولکول های دمولسیفایر بر روی فصل مشترک آب و نفت، کاهش یافته در نتیجه بازده جداسازی افزایش می یابد.شکل -1 د اثر pH آب را روی بازده آب زدایی نشان می دهد. در pH=7 بیشترین بازده مشاهده می شود. چون در محیط اسیدی انرژی آزاد گیبس سطح امولسیون بیشینه می باشد. در محیط بازی نیز با خنثی سازی اجزاء اسیدی نفت خام مانند نفتنیک اسید ها یا فنول ها صابون ها ایجاد می شوند که به عنوان ماده امولسین ساز - سورفکتنت - عمل کرده و پایداری امولسیون را افزایش می دهند.
