بخشی از مقاله
چکیده
باتوجه به احتمال تشکیل هیدرات در خطوط انتقال، فرآیند شبیهسازی تخریب هیدرات گازی با استفاده از مدل سینتیکی تخریب هیدرات برمبنای تجزیه گرمایی در اثر انتقال گرمای هیدرات با جریان گاز و دیواره لوله و اثر همزمان انتقال گرما و انتقال جرم، بر اساس دما، فشار، ترکیب درصد گاز طبیعی و اندازه خطوط انتقال گاز خروجی از ایستگاههای تقلیل فشار در یک لوله 6 اینچی به طول 0/5 متر انجام گرفت. بهمنظور بررسی اثر شکل هیدراتهای گازی تشکیلشده، هیدراتهای گازی بهصورت گلولههای هیدرات با شعاعهای مختلف و هیدراتهای تشکیلشده در دیواره لوله بهصورت حلقه داخل لوله با حجم برابر با گلولههای هیدرات در نظر گرفته شد. برای بررسی اثر افت دما روی فرآیند تخریب هیدراتهای گازی، فرآیند تخریب هیدرات در 3 دمای مختلف انجام گرفت. نرخ تخریب هیدرات گازی در حالت هیدرات تشکیلشده روی دیواره لوله نسبت به هیدرات گازی به شکل ذرات کروی بهدلیل سطح بیشتر انتقال حرارت و جرم بیشتر است. با توجه به اینکه هیدرات گازی در حال تخریب پس از مدت زمان ناچیزی از شروع فرآیند تخریب با جریان همدما میشود، میتوان گفت فرآیند تخریب هیدرات در شرایط همدما انجام میشود و فرآیند انتقال جرم کنترلکننده فرآیند تخریب میباشد.
کلمات کلیدی: هیدرات گازی، ایستگاه تقلیل فشار، تخریب هیدرات، مدل سینتیکی، CFD
نکات برجسته پژوهش
· شبیهسازی فرآیند تخریب هیدرات تشکیلشده در خطوط انتقال گاز طبیعی به مصرفکننده.
· بررسی زمان تخریب هیدرات تشکیلشده در خطوط انتقال گاز طبیعی به مصرفکننده.
· بررسی اثر افت ناگهانی دما روی زمان تخریب هیدرات تشکیلشده در خطوط انتقال گاز طبیعی.
· بررسی اثر شکل هیدرات تشکیلشده روی فرآیند تخریب هیدرات و زمان تخریب هیدرات.
-1 مقدمه
هیدرات گازی1، جامدی کریستالی است که ساختمان آن شامل مولکولهای گاز است که در فضای بین مولکولهای آب که با پیوند هیدروژنی به یکدیگر متصل شدهاند، موجود میباشند. ازآنجا که گاز طبیعی و نفت خام بهطور طبیعی در مخازن هیدروکربوری با آب در تماس میباشند تشکیل کریستال هیدرات در بخشهای مختلف صنایع نفت وگاز از قبیل حفاری، انتقال و فرآیندهای پالایش گزارش شده است.در سال 1810 سر همفری دیوی2 هنگام کار در آزمایشگاه برروی محلول آبی کلر کریستالهایی را کشف کرد که هیدرات گازی نامیده شد. در سال 1934 هامرشمیت3، عنوان کرد که احتمال تشکیل هیدرات در خطوط انتقال نفت و گاز وجود دارد و این پدیده میتواند منجر به مسدود شدن خطوط انتقال شود. این کشف عامل اصلی افزایش مطالعه در زمینههای مختلف هیدرات از قبیل ساختار هیدرات، شرایط تشکیل هیدرات، ممانعت کنندهها و... شد .[1]
اما در زمینه تخریب هیدرات مطالعات ناچیزی صورت گرفته است، در سال 1998 کیم4 و همکاران اولین مدل سینتیکی تخریب هیدرات را ارائه دادند و پایهگذار مطالعات تفکیک هیدرات بودند .[2] در سال 2006 سین5 و همکاران تخریب هیدرات در خط لوله حاوی سیال آب را شبیهسازی کردند [3] و در سال 2007 نظریدوست و احمدی شبیهسازی تخریب هیدرات ماسهسنگی استخراج شده از زمین را بر مبنای اختلاف فشار را انجام دادند .[4]در این پژوهش با فرض تشکیل هیدرات پس از ایستگاه گاز شهری، شبیهسازی انتقال گرمای هیدرات با خاک با استفاده از معادلات انتقال گرما، مومنتوم و سینتیک تخریب هیدرات تشکیلشده انجام شده و جداسازی و تخریب هیدرات احتمالی تشکیل شده در مسیر توزیع به مصرفکننده در اثر تبادل گرمایی گاز جاری در لولههای انتقال با خاک، شبیهسازی و سینتیک تخریب هیدرات بررسی شده است.
-2 شرح مسأله
در این مسأله شبیهسازی تخریب هیدرات در اثر افزایش دمای سیستم به دمایی بالاتر از دمای تعادلی هیدارت در فشار ثابت و تحت تاثیر انتقال گرما و جرم شده انجام شده است. بهطور کلی فرآیند تخریب هیدرات از سطح خارجی هیدرات بهسمت مرکز هیدرات انجام میگیرد و فرآیند تخریب بهصورت کوچک شدن تدریجی یک ذره صورت میپذیرد.در شکل 1 نمای شماتیک فرآیند تخریب هیدرات و نیروی محرکه تخریب که اختلاف فیوگاسیته گاز در فشار تعادل 3 فازی، و فیوگاسیته گاز در سطح جامد است، نمایش داده شده است. همراه با تخریب گرمایی مولکولهای آب تشکیل دهنده ذرات هیدرات و شکسته شدن حفرههای موجود در سطح بیرونی هیدرات، لایهایی از آب مایع اطراف هیدرات را میگیرد، با تخریب سایر حفرهها در لایههای بعدی، گاز حاصل از تخریب حفرهها درون این لایه مایع نفوذ میکند و سپس به محیط خارج منتقل میشود.
-1-2 معادلات بنیادی
در این شبیهسازی فرض میشود گلوله هیدرات در برابر جریان صلب باشد، پس هیدرات به صورت جسم جامد در نظر گرفته میشود و تخریب هیدرات از سطح هیدرات توسط واکنش سطحی صورت میپذیرد. شبیهسازی بهصورت سه بعدی ناپایا انجام میشود و مربوط به ذوب شدن از سیال اطراف کره تأمین میشود.
-1-1-2 معادلات انتقال اجزاء
با فرض صلب بودن هیدرات، معادله انتقال برای جریان تک فاز حل خواهد شد که بهصورت زیر است: - 1 - در این معادله ، نرخ خالص تولید جزء i بهوسیله معادله سطحی میباشد و ترم منبع است. معادلات در این حالت نیز برای N-1 جزء حل میشود که N، تعداد کل اجزاء شیمیایی فاز سیال حاضر در سیستم است. در این معادله نیز بیانگر شار نفوذ جزء i است که در اثر افزایش گرادیان غلظت، افزایش مییابد.معادله سطحی تخریب هیدرات گازی بهصورت زیر است :[5] - 2 -
کشچیو و فیروزآبادی [6] تخریب هیدرات را با استفاده از انرژی آزاد گیبس فرمولاسیون کردند. آنها فرض کردند که نیروی محرکه تخریب هیدرات، زمانی که یک مول از هیدرات تخریب شود، برابر تغییر انرژی آزاد گیبس است. براساس تعاریف موجود، یک مول هیدرات شامل یک مول متان و مول از آب میباشد،که بیانگر عدد هیدراسیون میباشد. نیروی محرکه تخریب - - با استفاده از معادله زیر به دست میآید:
