بخشی از مقاله
چکیده
هیدرات تترا ان- بوتیل آمونیوم برماید 1 - TBAB - ابزاری برای ذخیره سازی سرما در سیستم های تهویهی مطبوع است. دمای تغییر فاز این نوع هیدرات بین 0 تا 12 درجه سانتیگراد است که برای سیستم های تهویهی مطبوع مناسب است. همچنین هیدرات TBAB گرمای نهان بالایی دارد. که لزوم توجه به این نوع از هیدرات ها را افزایش میدهد. در این پژوهش اثر غلظت های مختلف TBAB بر یکی از پارامترهای سینتیکی تشکیل هیدرات کربن دی اکسید + تترا ان- بوتیل آمونیم برماید - یعنی زمان القای تشکیل هیدرات - در حضور مادهی فعال سطحی تویین با غلظت 1500 ppm بررسی شده است. آزمایش ها در یک رآکتور ناپیوسته به حجم 169 سانتیمتر مکعب و در دمای 276/15 کلوین انجام شد. نتایج حاصل از آزمایش ها نشان داد غلظت های مختلف TBAB در حضور مادهی فعال سطحی تویین تأثیر قابل توجهی بر زمان القای تشکیل هیدرات شبه کلاتریت کربن دی اکسید TBAB + ندارد.
کلمات کلیدی: هیدرات های شبه کلاتریت، تهویه مطبوع، کربن دی اکسید، TBAB، تویین
مقدمه
هیدرات های گازی - هیدرات های کلاتریت - ، ترکیبات جامد کریستالی می-باشند که از به دام افتادن مولکولهای میهمان با اندازهی مناسب، در شبکه ای از مولکولهای میزبان - آب - تشکیل می شوند .[1] در هیدرات های کلاتریت مولکولهای میهمان درون حفرات مولکلول های میزبان قرار گرفته و هیچ گونه مشارکتی در تشکیل شبکهی هیدرات ندارند. نیاز به فشارهای بالا و دماهای پایین و همچنین سینتیک کند تشکیل هیدرات، از مهمترین مشکلات هیدراتهای کلاتریت است که مانع از صنعتی شدن این تکنولوژی شده است .[3 ,2] نمونه ای از هیدرات های گازی در شکل 1 نشان داده شده است.
هیدرات های گازی پتانسیل زیادی برای استفاده در صنایع مختلف دارند. ذخیره سازی و جداسازی گازها [6-4]، حذف کربن دی اکسید [12-7]، شیرین سازی آب [13]، تبرید و تهویه مطبوع [18-14]، جداسازی ترکیبات با نقطه جوش نزدیک به هم [22-19] و غیره از مهمترین کاربردهای هیدرات های گازی هستند. سینتیک کند و ترمودینامیک سخت تشکیل هیدرات های گازی از جمله مهمترین عواملی هستند که مانع استفاده صنعتی از هیدرات های گازی شده اند. برای بهبود سینتیک تشکیل هیدرات میتوان از تسهیل کننده های سینتیکی مثل مواد فعال سطحی استفاده کرد .[25-23]
در سال 1940، برای اولین بار ساختار های جدیدی از هیدرات ها توسط فولر و همکارانش کشف شد .[27] ماهیت ساختاری هیدرات های کشف شده با هیدرات های گازی ساده تفاوت داشت. در این نوع از هیدرات ها، مولکول میهمان علاوه بر اینکه درون حفرات هیدرات قرار میگیرند، در ساختار شبکه ی هیدرات نیز شرکت میکنند. به همین دلیل به این ساختارها، شبه کلاتریت گفته میشود .[13] نمونه ای از ساختارهای هیدرات های شبه کلاتریت در شکل 2 نشان داده شده است. همانطور که در شکل 2 قابل مشاهده است، یون های برماید در ساختار شبکهی هیدرات شرکت کرده اند. این نوع از هیدرات ها شرایط ترمودینامیکی تشکیل هیدرات را به طور قابل ملاحظهای تسهیل میکنند.
دمای تغییر فاز هیدرات تترا ان- بوتیل آمونیوم برماید بین 0 تا 12 درجه سانتیگراد است. همچنین هیدرات TBAB گرمای نهان بالایی دارد. که برای سیستم های تهویهی مطبوع مناسب است. بنابراین هیدرات تترا ان- بوتیل آمونیوم برماید ابزاری مناسب برای ذخیره سازی سرما در سیستم های تهویهی مطبوع است. همچنین از TBAB میتوان به عنوان یک مبرد دوحالته1 استفاده کرد. زیرا تولید هیدرات تترا ان- بوتیل آمونیوم برماید آسان بوده و این هیدرات دارای سیالیت مناسبی است. داربورت2 و همکارانش - 2005 - ویژگی های رئولوژیکی دوغاب هیدرات TBAB را بررسی کردند .[28]
ونجی3 و همکارانش - 2009 - و همینطور ما4 و همکارانش - 2010 - انتقال حرارت دوغاب هیدرات TBAB را بررسی کردند .[30 ,29] یکی از مهمترین ویژگی های هیدرات های شبه کلاتریت - مانند هیدرات - TBAB، تسهیل قابل ملاحظهی شرایط تشکیل هیدرات است ,2] .[33-31 ,3 ولی سینتیک این نوع هیدرات ها به اندازهی کافی بررسی نشده است. در کار حاضر زمان القای تشکیل هیدرات شبه کلاتریت تترا ان- بوتیل آمونیوم برماید + کربن دی اکسید در ضورح تویین با غلظت نسبتاً بالای 1500 ppm و در غلظت های 5، 10 و 15 درصد وزنی TBAB و در دمای 276/15 کلوین و فشار اولیهی 3/2 مگاپاسکال اندازه گیری خواهد شد.
آزمایش مواد مورد استفاده
گاز کربن دی اکسید مورد استفاده برای انجام آزمایشها تهیه شده دارای درصد خلوص 99/95 درصد بوده که از شرکت سپهر گاز کاویان خریداری شده است. تترا ان- بوتیل آمونیوم برماید با فرمول شیمیایی - CH3CH2CH2CH2 - 4BrN شرکت مرک و همچنین تویین 80 با خلوض %99 از شرکت مرک خریداری شد. برای تهیهی محلول ها، از آب مقطر استفاده شد. دستگاه شماتیکی از دستگاه تشکیل هیدرات مورد استفاده در این تحقیق، در شکل 3 نشان داده شده است. برای انجام آزمایشها از یک راکتور ژاکتدار از جنس فولاد ضد زنگ درجه - SS-316 - 316 به حجم داخلی 169 سانتی متر مکعب که تحمل فشار عملیاتی 200 بار را دارد، استفاده شده است.
محفظه داخلی این راکتور مجهز به چهار شیر با تحمل فشار 6000 psi است که دو شیر آن از نوع توپی بوده که برای تزریق محلول و همچنین تخلیهی مخلوط آب و گاز پس از انجام آزمایش استفاده میشوند، و دو شیر دیگر از نوع سوزنی هستند، که یکی از آنها برای تزریق گاز و دیگری برای اتصال به دستگاه کروماتوگراف گازی و نمونه گیری از گاز مورد استفاده قرار میگیرند. با توجه به تشکیل هیدرات در دماهای نزدیک به دمای انجماد آب و همچنین گرمازا بودن فرآیند تشکیل هیدرات، در جداره خارجی راکتور دو منفذ برای ورود و خروج ماده سرد کننده تعبیه شده تا با عبور سیال مبرد، دمای راکتور کنترل شود.
از محلول آبی اتیلن گلیکول با غلظت وزنی %50 به عنوان مادهی خنک کننده استفاده شده است و به منظور کاهش اتلاف انرژی راکتور تشکیل هیدرات و تمامی اتصالات و لولههای انتقال سیال مبرد به خوبی عایق شدهاند. برای اندازه گیری دمای داخل راکتور، یک سنسور دمای پلاتینی از نوع Pt-100 با دقت 0/1 K به کار گرفته شد. فشار مخزن با یک سنسور از نوع BD با دقت حدود 0/01 مگاپاسکال اندازه گیری شد. برای ایجاد اختلاط مناسب در مخزن اصلی تشکیل هیدرات از یک همزن الاکلنگی استفاده شد و برای ایجاد خلأ درون سل، یک پمپ به کار برده شد.
شکل :3 ستاپ مورد استفاده
نتایج و بحث
آزمایش ها در آزمایشگاه هیدرات آزمایشگاه مرکزی دانشگاه بجنورد انجام شد. در این پژوهش، به مدت زمان بین شروع تزریق گاز و شروع فرآیند هسته زایی، زمان القا گفته میشود. در ابتدا سل توسط یک سیستم چرخشی پیوسته به مدت ده دقیقه با آب شهر شست و شو داده شد و سپس با آب مقطر آبکشی شد. جهت اطمینان از خروج هوای داخل سل و قطرات آب باقی مانده در آن، پمپ خلأ به مدت 5 دقیقه به کار گرفته شد. 25 سانتی متر مکعب محلول مورد نظر با غلظت 1500 ppm تویین و غلظت های 0، 5 و 10 و 15 درصد وزنی از TBAB آماده و به درون سل تزریق شد.
با تنظیم دمای مبرد بر روی دمای مورد نظر و پس از تثبیت دما، غلظت های 0، 5، 10 و 15 درصد وزنی از TBAB در حضور 500 ppm گاز کربن دی اکسید با فشار اولیهی 3/2 مگاپاسکال تزریق شد و همزن تویین ساخته شد. زمان القای تشکیل هیدرات در سیستم های های آب + الاکلنگی با سرعت 10 دور بر دقیقه روشن شد. با شروع فرآیند تشکیل کربن دی اکسید + تویین و آب + کربن دی اکسید + TBAB + تویین و در هیدرات و مصرف گاز کربن دی اکسید، فشار سیستم کاهش یافته و داده دمای 276/15 کلوین در جدول 1 آورده شده است و این مقادیر در شکل 3
های دما و فشار در فواصل زمانی مشخص بر روی کامپیوتر ذخیره شد.
نشان داده شده است. برای بررسی اثر TBAB بر زمان القای تشکیل هیدرات شبه کلاتریت TBAB + کربن دی اکسید در حضور مادهی فعال سطحی تویین، چهار محلول باهمانطور که در جدول 1 و شکل 4 نشان داده شده است، زمان القای تشکیل هیدرات برای سیستم های آب + کربن دی اکسید و آب + کربن دی اکسید TBAB + کمتر از 4 دقیقه است که زمان بسیار پایینی است. با توجه به پایین بودن زمان القای تشکیل هیدرات میتوان نتیجه گرفت استفاده از غلظت های مختلف TBAB در حضور مادهی فعال سطحی تویین - با غلظت - 1500 ppm اثر قابل توجهی بر زمان القای تشکیل هیدرات شبه کلاتریت نداشته است.
نتیجه گیری
در این پژوهش اثر غلظت های مختلف TBAB بر زمان القای تشکیل هیدرات شبه کلاتریت کربن دی اکسید + تترا ان بوتیل آمونیوم برماید در حضور مادهی فعال سطحی تویین با غلظت 1500 ppm با هدف کاربرد در سیستم های تهویه مطبوع بررسی شد. نتایج حاصل نشان داد استفاد از غلظت های 5 تا 15 درصد وزنی این ماده اثر قابل توجهی بر زمان القای تشکیل هیدرات ندارد.
تقدیر و تشکر
این تحقیق در قالب یک طرح پژوهشی و با استفاده از اعتبارات پژوهشی دانشگاه بجنورد انجام شده است.
