بخشی از مقاله
چکیده
اساساً گاز طبیعی دارای ترکیبات مختلفی با توجه به منابع نفتی مختلفمی باشد. معمولاً متان75 در صد کل گاز را تشکیل می دهد و همچنین اصلی ترین ترکیب گاز طبیعی می باشد. به علاوه شامل مقادیری از اتان، پروپان، بوتان و ناخالصی های نامطلوبی مانند آب، کربن دی اکسید، نیتروژن و سولفید هیدروژن نیز است. در این مقاله امکان جداسازی متان واتان به عنوان اجزاء اصلی گازهای خروجی از فرایند کوپل اکسایشی متان - OCM - بررسی شده است.
بر اساس نتایج حاصل از شبیه سازی، گزینش پذیری جاذب برای اتان نسبت به متان، تعیین و با یکدیگر مقایسه شده اند. با توجه به نتایج، گزینش پذیری اتان نسبت به متان در دمای 300 K بیشتر است و تقریبا به ازای هر یک مولکول اتان، دو مولکول متان از منفذی با اندازه مشخص عبور می کند. بنابراین می توان نتیجه گرفت در این شرایط، جداسازی اتان از متان توسط فرایند جذب سطحی در شرایط دینامیک با راندمان بالا امکان پذیر است. نتایج حاصل بیشتر بودن تراو ش پذیری متان از اتان برای ورقه گرافن را نشان می دهد.
مقدمه
هم اکنون فقط هشت یا نه ماده پلیمری در ساخت غشاءها جهت جداسازی گاز مورد استفاده قرار می گیرد. چند صد ماده پلیمری جدید در چند سال گذشته گزارش شده اند، تعدادی از آنها در غشاءهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند. با توجه به دو معیار اساسی تراوش و گزینش پذیری، غشاءهای کارایی ساخته می شوند - . - W.J . Koros 1981 البته عامل های دیگری نیز مانند پایداری غشاء، ضخامت کم، هزینه کم و هندسه ای با مساحت سطحی زیاد باید مورد توجه قرار گیرد.
لازمه ی فراهم کردن میزان تراوش بالا، ضخامت کم لایه انتخابگر غشاء می باشد. اغلب کمتر از 0/1 تا0/5 میکرومتر می باشد. ضخامت مؤثر غشاء به طور معمول کمتر است از بسیاری از غشاءهای نازک که با استفاده از پلیمرهای مختلفی جهت فرآیندهای جداسازی فازی در دهه 1960ابداع شده اند. این غشاءها نازک، متراکم و دارای لایه ای غیرمتخلخل هستند که عمل جداسازی را انجام می دهند، ولی آن لایه توسط یک لایه ریز متخلخل ساخته شده از همان ماده، که باعث مقاومت مکانیکی می گردد، محافظت می شود .
متان و اتان دارای ارزشی تقریبا برابر، به عنوان سوخت یا به عنوان خوراک پتروشیمی، می باشند. هیدروژن و الفین های اتیلن و پروپیلن اگر به صورت خوراک پتروشیمی مصرف شوند بیشتر از سه برابر با ارزش تر می باشند.
نفت خام حاصل از چاه دارای مواد ناخواسته از قبیل آب و جامداتی مانند شن، قیر و گازهای متان و اتان می باشد. برای جداسازی این گونه عوامل آن را وارد مخازنی می کنند تا جامدات موجود درآن ته نشین شده و گازهای آن خارج شود. سپس وارد جداسازی سانتریفیوژی شده که نقش آن جداکردن تتمه آب، گاز و جامدات معلق درآن می باشد. برای حذف نمک های معدنی، نفت را با آب ولرم می شویند.
آنگاه قسمتی از نفت توسط لوله به پالایشگاه فرستاده شده و قسمتی جهت صدور به بنادر تلمبه می شود. برای تقطیر و تفکیک برش های متشکله نفت خام، عملیات فیزیکی و شیمیایی چندی بر روی آن به عمل می آورند تا فرآورده های مورد نیاز جامعه امروزی را تولید نمایند.
از مهمترین آن ها تقطیر جزء به جزء نفت است که در برج تقطیر صورت می گیرد. تقطیر جزء به جزء عبارت است از یک سری تبخیر و تبرید که در سینی های یک برج استوانه ای صورت می گیرد. مایعات خالص در فشار محیط، در دمایی به جوش می آیند که در آن دما و فشار بخار آن برابر فشار محیط گردد. مایعات مخلوط در حدود دمایی که حاصل جمع فشارهای جزیی عوامل تشکیل دهنده ی آن ها با فشار محیط برابر گردد، به جوش می آیند.
در نقطه جوش، فازهای بخار و مایع در حال تعادل می باشند. چنانچه فشار کاهش یابد، تبخیر صورت می گیرد و در حالت معکوس، تبرید اتفاق می افتد. از فشار بخار برای محاسبه ترکیب گازهای مخلوط در حالت تعادل استفاده می شود. وقتی که اجزاء تشکیل دهنده ی یک محلول در برج تقطیر به طور دائم جدا می شوند بخارهایی که به سمت بالا حرکت می کنند، با ترکیبات فرارتر مایع برگشت کننده که به سمت پایین سرازیر است برخورد کرده و غلیظ تر می شوند.
دستگاه های تقطیر نفت خام، نخستین واحد های فراورش - پالایش - عمده در پالایشگاه هستند. تقکیک نفت خام در دو مرحله صورت می گیرد، اول تفکیک جزء به جزء همه نفت خام در فشار اتمسفر و سپس ارسال باقی مانده این مرحله به دستگاه تفکیک دیگری که تحت خلا شدید عمل می کند. بنابراین نفت خام پس از حرارت در کوره در برج تقطیر اتمسفری به فرآورده های زیر تفکیک می شود:
گازهای سوختی - که عمدتا شامل متان و اتان است - ، گازهای سبک تر - شامل پروپان، بوتان و همچنین اتان و متان است - ، نفت های سبک تثبیت نشده، نفت های سنگین، نفت سفید، نفت گاز اتمسفری.
البته مشکلاتی وجود دارد که باعث جلوگیری از کاربردهای غشاء در پالایشگاه ها می شود. کثیف شدن غشاءها، کشسان شدن آنها و میعان یافتن بخارات هیدروکربن بر سطح غشاء، موضوعات مهم مورد بحث هستند
گرافن
در سال 2004 گروهی از محققان در دانشگاه منچستر موفق به استخراج نمونه ای پایدار از گرافیت به ضخامت یک اتم کربن شدند، که این لایه ی تک اتمی را گرافن نامیدند. از جمله خصوصیات گرافن می توان به رسانندگی گرمایی بالا، تحرک پذیری بالای الکترون ها و رسانش الکتریکی بالای آن حتی در شرایطی که غلظت حامل های بارظاهراً صفر است، اشاره کرد که به ساختار هندسی خاص گرافن بر می گردد.
حامل های بار در گرافن الکترون هایی هستند که جرم آنها صفر می باشد و لذا نسبیتی رفتار می کنند و با معادله دو بعدی دیراک توصیف می شوند . - B.O. Neeraas 2011 - استحکام مکانیکی و شیمیایی گرافن، آن را به ماده ای قابل اطمینان در غشاهای جداکننده تبدیل کرده است. گرافن متخلخل، تراوایی بسیار بیشتری از غشاهای پلمیری، در شرایط یکسان، از خود نشان می دهد. دانشمندان معتقدند "اگر بتوانیم تنها از یک لایه منفرد گرافن استفاده کنیم، با افزایش قابل توجهی در میزان انتقال و همچنین کاهش حوزه غشایی برای انجام فرآیندهای تصفیه یکسان روبرو خواهیم بود."
همین طور معتقدند "غشای گرافنی متخلخل قابلیت تولید انبوه صنعتی را دارد، شاید بتوان این یافته را پایه ای برای ساختن مواد و روش های دیگر »تولید مواد متخلخل« قرار داد.
جزییات شبیه سازی
شبیه سازی دینامیک مولکولی توسط کدهای نرم افزار لمپس انجام شده است. یک ورقه گرافن تک لایه با اندازه 3×3 نانومتر و شکل لبه آرمیچر ایجاد می کنیم. از پتانسیل ایربو استفاده شد. شبیه سازی دینامیک مولکولی درNVT - حجم و دما ثابت - و NPT - دما و فشار ثابت - اجرا شد. گام زمانی در شبیه سازی یک فمتوثانیه بود. شبیه سازی با تعداد یک میلیون گام زمانی انجام شد.
