بخشی از مقاله
چکیده
تعلیق شکن بهعنوان راهبردیترین ماده مصرفی در صنعت نفت است و در صورت عدم انجام پالایش مناسب، مسئله بهرهبرداری از نفت، بازاریابی و فروش و صادرات نفت تحت الشعاع قرار خواهد گرفت. در چند دههی اخیر بهمنظور صرفهجویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست محیطی تلاشهای بسیاری در زمینهی کاربرد نانوذرات در علوم و صنایع مختلف انجام یافته است. در این مقاله اضافه کردن نانوذرات به مواد تعلیقشکن جهت افزایش راندمان با و بدون میدان مغناطیسی بهعنوان راهکاری صنعتی ارائه شده است.
شرح سیستم صنعتی
تعلیقشکن بهعنوان راهبردیترین ماده مصرفی در صنعت نفت است و در صورت عدم انجام پالایش مناسب، مسئله بهرهبرداری از نفت، بازاریابی و فروش و صادرات نفت تحت الشعاع قرار خواهد گرفت. با توجه به ویژگی انواع نفت خام از جمله میزان رزین، آسفالتین، ای.پی.آی - API - و ساختار هیدروکربنی خاص آن، باید بسته دمولسیفایری متناسب تعریف شود.
نفتی با API بالا که میزان نمک و آب آن درحد استاندارد است، نفتی مطلوب برای خریداران در عرصه بینالمللی محسوب شده و از سوی دیگر در نگهداری و طول عمر تأسیسات پالایشی مؤثر بوده و گامی در جهت صیانت از منابع هیدروکربنی کشور است.
یک بسته دمولسیفایر دارای اجزای متفاوتی است که هر یک نقشهای شیمیایی مختلفی از جمله فلوکولنت، کوالسر، تریتر و ... برای جداسازی آب و نمک از نفت خام را انجام میدهند و این تعلیق شکن وظیفه شکستن امولسیون آب در نفت خام را به عهده دارد. تولید تعلیق شکنها پیش از ورود نفت به پالایشگاه ها کاربرد دارد، از آنجایی که آب و نمک کاتالیزرها را مسموم کرده و خوردگی و ترکیبات جانبی ایجاد میکنند، هر دو مخاطراتی برای صنعت نفت بههمراه دارند، لذا باید به حذف و جداسازی آب و نمک از نفت خام مبادرت ورزید.
اگر آب و نمک همراه نفت خام بیش از میزان استاندارد باشد، وارد واحدهای پالایشی شده و وجود نمک در نفت خام در حضور آب، سبب تبدیل این مواد به مواد اسیدی، به ویژه اسید کلریدریک میشود که باعث خوردگی در تاسیسات پالایشگاهی و تولید اسیدهای مخرب در این واحدها میشود. بنابراین مشکلات ناشی از عدم استفاده تعلیق شکن با ترکیبات مناسب برای شکستن تعلیق و جداسازی آب و نمک از نفت خام استخراج شده، زیاد است.
میزان استاندارد نمک موجود در نفت خام زیر 29 ppm است. بنابراین نیاز است پیش از آنکه پالایش شروع شود، آب و نمک از نفت خام جدا شده و چنانچه جداسازی کامل انجام نگیرد، آب آغشته به نفت به چرخهی محیط زیست وارد شده و مخاطراتی نیز برای محیط زیست به همراه خواهد داشت.
به-طورکلی نمکزدایی و جداسازی آب نمک از نفت خام به روشهای مختلفی از جمله نمک زدایی به روش Dilution water، روش ثقلی، روشهای مکانیکی، با استفاده از مواد تعلیقشکن، با استفاده از روش حرارتی، تکنولوژیBielectric، فیلتراسیون ممبرین VSEP و نیز با استفاده از روش الکتریکی انجام میگیرد. در حال حاضر از روش شکست امولسیون آب در نفت در میدان الکتریکی غیر یکنواخت استفاده میشود.
طرح مسئله و موضوع پژوهشی
در چند دههی اخیر بهمنظور صرفهجویی در مصرف انرژی و مواد اولیه و با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و زیست محیطی تلاشهای بسیاری در زمینهی کاربرد نانوذرات در علوم و صنایع مختلف انجام یافته است. نانومواد معلق خواص حرکتی و حرارتی سیال پایه را بهشدت تحت تاثیر قرار میدهند اما ثابت نگهداشتن غلظت در مقدار بهینه بهویژه زمانی که افزودنی فرار و یا اینکه خورنده باشد مشکلات بسیاری را ایجاد میکند. دلیل انتخاب ابعاد نانو برای اندازهی این ذرات، پایداری بیشتر آنها در مقایسه با ذرات بزرگتر و سطح تبادل حرارتی بیشتر و همزمان داشتن وزن کمتر است.
نکتهای که در بهکار گرفتن نانوذرات و تولید نانوسیال بایستی در نظر گرفت عدم تغییر خواص شیمیایی سیال پایه و جلوگیری از تراکم و انباشتگی ذرات در یک محل است. شکل نانوذرات - لولهای یا کروی بودن - ، اندازه و کسر حجمی آنها و PH سیال از جمله موارد مهم کنترل کنندهی پارامترهای ترموفیزیکی - مثل لزجت، چگالی و ... - نانوسیال میباشد. با پخش نانوذرات در سیال پایه، لایهای از سیال در مقیاس مولکولی، حول نانوذرات تشکیل میشود که ساختار اتمی آنها بسیار منظمتر از تودهی سیال بوده و از اینرو همانند کریستال-های جامد عمل میکند.
روشهای موجود برای تهیهی نانوسیال عبارتند از: - 1 روش تک مرحلهای: ذرات موردنظر بهطور مستقیم در درون سیال تهیه و پراکنده میشود بهعنوان مثال برای تهیهی نانوذرات فلزی درون یک سیال، بخار فلز مستقیما به درون سیال پایه هدایت میشود تا بهشکل نانوذرات کندانس شود. این روش بهنام روش پایین به بالا معروف بوده و راه مناسبی برای تولید نانوسیال فلزی بهحساب میآید. - 2 روش دومرحلهای: ابتدا نانوذره یا نانولولهی موردنظر تهیه شده سپس به سیال پایه اضافه می-شود. روشی آسان تر و در عین حال اقتصادی بوده و برای کاربردهای صنعتی بهتر است. معمولا تجهیزاتی مثل حمام ماورای صوت، همزن مغناطیسی، همزن با توان برشی بالا و هموژنایزر برای پراکنده سازی نانوذرات درون سیال استفاده میشود.
در مدلسازی جریان نانوسیال از روشهای زیادی استفاده می-شود که در ادبیات فن هر یک از کاربرد و جایگاه خاصی برخوردار است و از آن جمله میتوان به مدل تکفازی همگن، مدل پخش گرمایی، مدل جابجایی ذرهها، مدل دوجزئی چهارمعادلهای ناهمگن تعادلی و مدل دوفازی مخلوط اشاره کرد. یکی از مهمترین موضوعات در مطالعهی سیال دوفازی مسالهی کوپل کردن دوفاز میباشد که این موضوع در یک سیال دوفازی بصورت انتقال مقادیر مومنتم و حرارت و جرم بین دوفاز اتفاق میافتد. همچنین در نظر گرفتن نیروهایی مثل ترموفورتیک و براونی در معادلات، باعث پیچیدگی حل مساله میشود.
از سوی دیگر امروزه با پیشرفت روزافزون علم، مدلهای غیرنیوتنی بسیاری وجود دارد که میتوان در حل دقیقتر معادلات حاکم بر جریان از آنها بهره گرفت. جریان سیال مستقل از زمان، جریان سیال تابع زمان و سیال ویسکوالاستیک از جمله انواع سیالات غیرنیوتنی هستند.
مواد تعلیقشکن وقتی به مخلوط اضافه میشوند با کاهش کشش سطحی بین آب و هیدروکربن نفت منجر به انعقاد سریع، هیدروژن زدایی و جدا کردن فازهای سیال میشود که بهبود کیفیت هیدروکربن تفکیک شده را بههمراه دارد. از انواع مواد فعال سطحی تعلیقشکن میتوان به مواد فعال سطحی آنیونی، کاتیونی، غیر یونی و آمفوتریک اشاره کرد. مواد تعلیق-شکن بهطور ویژهای برای هر چاه نفت تعریف میشود. این مواد عمدتا از گروههای عاملی زیر تشکیل میشوند:
پلی گلایکولها، پلی گلایکولها، پلی گلایکول استرها، الکل اتوکسیلات و آمین-ها، رزین اتوکسیلات، رزینهای اتوکسیلات فنول فرمالدهید، اتوکسیلات نانیل فنول، الکلهای پلی هیدریک، اکسید اتیلن، اسیدهای چرب کوپولیمر اکسید پروپیلن، الکلهای چرب، آمین چرب و نمکهای اسیدی سولفونیک. بهطور کلی اغلب تعلیق-شکنهای تجاری ممکن است شامل گروهی از مواد فعال سطحی باشند.
در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی جداکردن موثر یک فاز پراکنده آبی از یک فاز نفتی پیوسته فرآیند مطلوب می باشد.
اخیراً روشهای مناسبی در این رابطه وجود دارد. بهطور مثال امولسیون زدایی - منعقد سازی - شیمیایی، ته نشینی سانتریفوژی یا گرانشی، تنظیم PTI، فیلتراسیون، عملکرد حرارتی، جداسازی غشایی و منعقد سازی الکترواستاتیکی. هر کدام از این روشها مزیتها و معایبی دارد. برای مثال امولسیفایرهای شیمیایی میتوانند خصوصیات محل تماس بین دو فاز آب و نفت را اصلاح کند.
بنابراین به قطرات آب اجازه میدهند که راحتتر به قطرات بزرگتر منعقد شوند. اثر PH میتواند در جداسازی امولسیون روغن در آب استفاده شود اما این روش معمولاً در شکستن امولسیون آب در روغن موثر نیست. روش سانتریفوژ یک روش موثر برای بعضی از امولسیونهاست که هزینه کارکرد بالایی دارد. عملکرد حرارتی میتواند وسیکوزیته نفت را کاهش دهد، بنابراین باعث میشود که هیچ قطره آبی سریعتر از فاز نفتی پایین نیاید که این به جداسازی گاز آلوده کننده ورودی در نفت خام کمک میکند. عملکرد حرارتی و شیمیایی نسبتاً گران هستند سرعت پایین در جایی که مایعات ممکن است به طور طبیعی در بسیاری از امولسیون های آب در نفت جدا شوند، نتیجه مهمی در بسیاری از عملیات تجاری دارد.
مراحل کار و انتظارات از پژوهش پیشنهادی
از آنجا که در لایه های زیرین زمین، نفت بر روی آب شور قرار گرفته است، نفت خروجی از چاه ها، بهویژه برای مخازنی که در نیمه عمر تولید خود هستند، بهندرت بدون درصدی از آب می باشد. مشکل اصلی این آب ، نمک حل شده موجود در آن است. مقدار بسیار زیادی از این آب شور در مراحل اولیه جداسازی از نفت تفکیک میشود ولی بهدلیل بالا بودن میزان این آب وقتی نفت خام در نهایت به پالایشگاه ارسال میگردد، هنوز مقداری آب شور در آن وجود دارد.
از اثرات حضور آب؛ خوردگی لولهها و گرفتگی در تجهیزات پایین دستی، پمپها و سایر تجهیزات فرآیند، کاهش درجه API نفت و کاهش قیمت آن، پیچیدگیهایی که وسیکوزیته امولسیون را افزایش میدهد و ایجاد مشکل در انتقال و پالایش نفت، افزایش هزینه حمل و نقل و در نتیجه وجود قطرات پراکنده آب در نفت خام و خنثیکردن کاتالیستها بهوسیلهی قطرات آب میباشد. بنابراین دلایل تجاری برای از بین بردن آب معلق از نفت خام وجود دارد.
در این راستا مراحل زیر تبیین شده است:
1 - تبیین برنامه زمانبندی خاص بر پایه روشهای متداول کنترل پروژه و تعیین مدت و نحوه انجام مراحل مختلف .
2 - مطالعه کتابخانهای - بررسی کارهای انجامگرفته قبلی در دنیا جهت تعلیقشکنی امولسیون
3 - بررسی انواع شبیهسازیهای ترکیبات نانوذرات تعلیقشکن، اجتناب از معایب و استفاده از مزیتهای هر کدام
4 - جمعآوری اطلاعات میدانی دادههای چاههای نفت و درصد ترکیبات در هر مرحله
5 - پردازش دادههای میدانی
6 - شناسایی نقاط برش برای بخشهای مختلف نفت خام TBP و بدستآوردن ترکیبات حاصل از نوع مواد ترکیبی و تعلیقشکنها بهکمک نرمافزار مینی تب
7 - انتخاب خانوادهی مواد فعال سطحی مناسب با توجه به نوع نفت مورد بررسی
8 - بررسی شیمیآلی نفت، پیوندهای کووالانسی و غیرکووالانسی ، ساختارهای کربنی، نانوساختارها
9 - انتخاب حلال مناسب
- 10 بررسی نانوذرات قابل کاربرد و میزان جذب نانولولهها با کسر حجمی مطلوب با توجه به صرفهی اقتصادی وزیست سازگاری
- 11 طراحی آزمایشات توسط نرمافزارهای Experiment و Virtual Chemistry Lab و ChemLab Standard
- 12 خرید تجهیزات و آمادهسازی بستر ساختن نانوسیال و خرید دستگاههای کاراکتریزیشن و تست و آزمایش روی نمونهی نفت
- 13 انجام تعداد مناسب آزمایشات و خروجی گرفتن برای نرمافزار آماری MiniTab
- 14 شبیهسازی تعداد آزمایشات و تغییر درصد ترکیبات و خروجی گرفتن
- 15 برنامهنویسی برای بهینهسازی ترکیب توسط الگوریتمهای بهینهسازی در نرمافزار Matlab
- 16 انجام آزمایشات خروجی الگوریتمهای بهینهسازی - 17 شبیهسازی میدان نفتی و محل تزریق و حوضچه
آرامش نفت برای نمکزدایی درنرمافزارهای Fluent-Gambit یا Ansys CFX یا COMSOL
- 18 حل معادلات حاکم بر مساله
- 19 انتخاب روش حل و حلگر مورد نیاز
- 20 اعتبارسنجی روش حل انتخاب شده و اطمینان حاصلکردن از تطابق و صحت نتایج CFD با دادههای آزمایشگاهی و بررسی تاثیر تمامی پارامترهای درگیر در مساله در شبیهسازی انجام شده و انتخاب گروه مادهی شیمیایی با بهترین بازده همراه با میدان اعمالی موردنظر
- 21 بهینهسازی کارایی مادهی انتخابی با توجه به عوامل دما، فشار، میزان تزریق با توجه به محاسبات اقتصادی، مسائل زیست سازگاری و بازده
- 22 بررسی اثرات جانبی استفاده از نانوذرات بر کیفیت نفت، راههای جلوگیری از کاهش احتمالی کیفیت نفت و همچنین پیشبینی تاثیرات احتمالی بر محیط زیست
- 23 بررسی اینکه آیا نانوذرات بهکار رفته از چرخهی کارکردی قابل بازیابی و استفادهی مجدد هستند و نیز بررسی توجیه اقتصادی این کار
- 24 بررسی پساب تولیدشده بعد از افزودن نانوسیال به تعلیقشکن و اطمینان از عدم مضر بودن برای محیط زیست
- 25 تهیه و تولید ترکیب نهایی
-28 انجام تستهای آزمایشگاهی منطبق بر استانداردهای تست میدانی و گزارش نهایی و ارائه و مقایسه از نظر توجیه فنی و اقتصادی-دوره بازگشت سرمایه در صورت ساخت دستگاه تولید نانوذرات تایید شده و سیستم تولید میدان مغناطیسی و الکتریکی خاص برای حوضچه آرامش نفت
