بخشی از مقاله
چکیده
جداسازی مافوق صوت یک فناوری جدید در صنعت نفت و گاز در مقیاس صنعتی است. جریان مافوق صوت با استفاده از یک نازل همگرا- واگرا ایجاد می شود که عملکرد آن در این مقاله شبیه سازی شده است. در شبیه سازی این جداکننده محاسبات ترمو دینامیکی صورت می گیرد که این محاسبات شامل ، تعیین تعادل های فازی و سرعت صوت در سیستم های تک فاری و دو فازی غیر ایده آل است.خواص فیزیکی سیال از طریق معادله ردلیش-کوانگ به دست آمده است اما روش برای بقیه مدل های ترمودینامیکی نیز سازگار است.
موج ضربه ای قائم - شوک نرمال - تاثیر زیادی در عملکرد این جداکننده ها دارد.دراین مقاله به بررسی عوامل مختلف موثر بر عملکرد جداکننده های مافوق صوت و موج ضربه ای قائم می پردازیم. به منظور پیش بینی عملکرد این جداکننده ها ااز نرم افزار ANSYS FLUENT استفاده شده است و داده های شبیه سازی با داده های تجربی اعتبار سنجی شده است.
مقدمه
گاز طبیعی معمولا شامل برخی از ناخالصی های غیر هیدروکربنی مانند آب، دی اکسید کربن ، نیتروژن و سولفید هیدروژن می باشد. وجود ناخالصی های موجود در گاز طبیعی موجب یک سری از مشکلات در فرآوری گاز طبیعی و حمل ونقل و نگهداری آن می شود. اولا این ناخالصی ها موجب کاهش ارزش حرارتی گاز طبیعی شده و از سوی دیگر، آب مایع شده در خط لوله های گاز موجب کاهش سطح موثر ودر نتیجه کاهش ظرفیت انتقال خط لوله می شود. همچنین این مواد موجب خوردگی در خط لوله می شوند. اما مهم ترین مشکل ، تشکیل هیدرات در خطوط لوله است که باعث انسداد خطوط لوله می شود. بنابراین جداسازی ناخالصی ها به خصوص بخار آب از اهمیت بالایی برخوردار است.
به علاوه بخش عمده هیدرو کربن های موجود در گاز طبیعی که بدنه اصلی گاز مذکور را تشکیل می دهند، عمدتا از جز متان تشکیل گردیده است. هیدروکربن های دیگر معمولا شامل اتان، پروپان، بوتان، پنتان و هیدروکربن های سنگین تر هستند که اگرچه از ارزش حرارتی بالایی برخوردار می باشند، لیکن به دلیل ارزش تجاری آنها ، می بایست تا حد ممکن از جریان گاز طبیعی جداشوند.
هم اکنون از فرآیند های مختلفی مانند پروسه های سرد سازی، غشایی، جذب سطحی وحلال بدین منظور استفاده می گردد. از اوایل هزاره جدید میلادی ، تکنولوژی نوین و پیشرفته ای با عنوان جداکننده های مافوق صوت توسط شرکت تویستر پا به عرصه وجود گذاشت.
برای جداسازی موثر گاز - مایع در این جداکننده ها ، جریان ورودی به جدا کننده های فوق می بایست در برگیرنده حداقل دو فاز باشد . در روش نوین استفاده از جداکننده های مافوق صوت که در سال های اخیر توجه بیشتری را به خود جلب کرده است، جریان سیال ورودی می تواند به صورت تک فاز نیز وارد گردد. جریان ورودی در ضمن عبور از نازل همگرا-واگرا منبسط شده و پس از دو فاز شدن و جداسازی فاز مایع مجددا به صورت تک فاز ، جداکننده را ترک می نماید.
مهم ترین دلیل این چنین رفتار متمایز و جالب توجهی، توانایی چشم گیر جداکننده های ما فوق صوت در افزایش فراوان سرعت سیال به ماخ های بالاتر از 1 و در نتیجه کاهش شدید فشار و دمای سیال - به علت تاثیر ژول - تامسون - می باشد. همان گونه که ملاحظه می شود ، کاهش کافی دما و فشار جریان گاز تک فاز باعث ورود آن به ناحیه دو فازی و ایجاد حداقل دو فاز جداگانه می شود.
هم اکنون از روش های مختلفی مانند جذب حلال - دی اتیل گلیکول DEG یا تری اتیل گلیکول - TEG جذب سطحی - سیلیکاژل و کلرید کلسیم جامد بی آب CaCl2 - ، تبرید و سیستم های غشایی به منظور رطوبت زدایی از گاز طبیعی استفاده می گردد.روش های فوق دارای معایبی مانند هزینه های بالای اولیه و عملیاتی، هزینه تعمیرات بالا و تاثیرات منفی زیست محیطی می باشند. در نازل مافوق صوت، هردو پدیده چگالش - یا تشکیل هیدرات - و جداسازی در سرعت های مافوق صوت اتفاق می افتد. به دلیل زمان اقامت بسیار کوتاه در درون جداکننده و سرعت بالای سیال ، زمان کافی برای ته نشینی هیدرات بر روی سطوح دیواره جداکننده ما فوق صوت وجود نخواهد داشت.
نازل های مافوق صوت نسبت به سیستم های مشابه دارای تاسیسات کوچکتر ، ارزان تر و پیچیدگی کمتر بوده و از حیث محیط زیستی نیز به مراتب مناسب تر است. در واحد های ما فوق صوت ، دمای گاز بر مبنای قوانین انبساط گاز بدون نیاز به هیچ گونه ماده سرد کننده ای پایین می آید . متراکم بودن و مختصر بودن این طراحی از ویژگی های مهم نازل مافوق صوت نسبت به روش های سنتی بویژه برای کاربرد های دور از ساحل می باشد.
ضمنا نظر به این که ، عمل سرمایش در داخل خود جداکننده ایجاد می شود ، بنابراین نیاز به انتقال حرارت از طریق دیواره ها نمی باشد. به همین جهت ، برخلاف سیستم های تبرید خارجی ، جداکننده ما فوق صوت نیاز به تزریق بازدارنده و سیستم بازیافت باز دارنده ندارد . اشکال مهم این سیستم افت فشار نسبتا زیاد ایجاد شده به علت انبساط گاز در نازل همگرا- واگرا می باشد .
جداکننده های مافوق صوت اولین بار توسط شرکت تویستر مطرح شدند که از آن برای نم زدایی از گاز طبیعی و حذف سولفید هیدروژن استفاده میکردند. [1]آنها اولین سیستم تجاری تویستر را در سال 2003 بر روی تاسیسات دور از ساحل شرکت نفتی پتروناس - مالزی - راه اندازی کردند . واحد مذکور شامل دو مجموعه رطوبت زدای موازی است که هر قسمت در بر گیرنده 6 جداکننده بوده و به صورت عمودی در اطراف جداکننده هیدرات نصب می گردند. ظرفیت هریک از جداکننده های مذکور برابر 3 میلیون متر مکعب در روز - شرایط استاندارد - می باشد که بدین ترتیب ، هر واحد نم زدایی قادر به رطوبت زدایی از حدود 17 میلیون متر مکعب گاز طبیعی در روز است.
آلفیرو و همکارانش در سال 2005 عملکرد یک جداکننده ما فوق صوت را با شیر های ژول تامسون و توربین های انبساطی مورد مقایسه قرار داد. وی با مطالعات خود نشان داد که جداکنندهای ما فوق صوت دارای بازده بیشتر و در عین حال افت فشار کمتر نسبت به شیر های ژول تامسون و توربین های انبساطی می باشد.
هنگوی و همکارانش در سال 2005 یک واحد آزمایشی به منظور بررسی و تحقیق بازده جداسازی جداکننده مافوق صوت برای رطوبت زدایی هوای مرطوب راه اندازی کردند. در این آزمایش ، سیال عامل ، درون یک سیکل باز به گردش در آمده است. برای فشار خروجی مشخص پارامتر های دما ، فشار ، دبی ، رطوبت نسبی و نقطه شبنم در ورودی و خروجی جداکننده مافوق صوت ثبت گردیدند. همچنین دمای گاز خروجی و دبی هوا مستقل از نسبت افت فشار در نظر گرفته شده بودند.
نتایج تحقیقان مذکور حاکی از آن بود که نقطه شبنم هوای خروجی با افزایش نسبت افت فشار کاهش یافته و در نهایت به این نتیجه رسیدند که جداکننده ما فوق صوت به حد کافی قادر به رطوبت زدایی از هوا می باشد. در مقاله مذکور ساختار داخلی دستگاه جداکننده ما فوق صوت چندان مورد بحث و بررسی قرار نگرفته بود. همچنین محل و موقعیت هر دو نوع امواج ضربه ای - قائم و مایل - به طور مناسب مورد توجه واقع نشده بودند.[4] لیو و همکارانش عملکرد یک جداکننده مافوق صوت را به صورت تجربی برای خشک کردن بخار هوا از سیال عامل مورد برسی قرار دادند.
جاسیم و همکارانش در سال 2008 اثر گاز واقعی و شکل نازل را روی جریان گاز طبیعی با فشار بالا مورد بررسی قرار دادند همچنین اثر چرخش روی عملکرد آن را نیز بررسی شد.
کریمی و همکارانش در سال 2009 با استفاده از MATLAB و HYSYS نشان دادند که محل وقوع ضربه قائم تاثیر زیادی روی بازده جداسازی دارد.[7] در مقاله حاضر به بررسی تاثیر عوامل مختلف در محل وقوع ضربه قائم و سایر پارامتر های موثر بر عملکرد جداکننده های مافوق صوت می پردازیم. به این منظور از نرم افزار ANSYS FLUENT 15 استفاده می کنیم.
اعتبار سنجی مدل
بعضی از مقالات ، دینامیک سیالات را در نازل ها بررسی کرده اند. در این بخش، روش عددی خود را با داده های موجود قبلی مطابقت می دهیم سپس از آن برای بررسی عملکرد جداکننده های ما فوق صوت استفاده می کنیم. برای اعتبار سنجی از هندسه مورد استفاده از آرینا [8]استفاده می کنیم که در شکل 1 آمده است.:
شکل -1 هندسه نازل در این کار سیال عامل هوا است. دما و فشار ورودی به ترتیب 288 کلوین و 105 پاسکال است. فشار خروجی 83049 پاسکال است. از معادله حالت ردلیش=کوانگ برای پیش بینی پارامتر های دینامیکی استفاده شده است. شکل 2توزیع فشار را در حل عددی این مطالعه و مقاله آرینا را نشان می دهد. همان طور که مشاهده می شود رفتار سیال و محل ضربه قائم به خوبی با هم مطابقت دارد.
