جداسازی گازها با استفاده از هیدارت

تعداد صفحات : ۸۶ فرمت : word

پیش گفتار
بررسی مدل های تجربی جداسازی گازها توسط کریستالیزاسیون هیدرات
چکیده
با بررسی مقالاتی در زمینه نیروی محرکه کریستالیزاسیون هیدرات ، سینتیک تجزیه هیدرات متان و اندازه گیری سرعت تجزیه هیدرات های گازی ، نحوه تشکیل کریستالیزلسیون هیدرات و عوامل موثر در سینتیک آن در شرایط دماهای پایین و فشارهای بالا در این زمینه مورد بررسی قرار گرفت . با مطالعه مدلهای مختلف ، سینتیک مطلوب برای رشد فیلم هیدرات متان به صورت مکانیزم پیوسته مطرح شد . همچنین با استفاده از داده های آزمایشگاهی ، توسط نرم افزار matlab ، معادلاتی برای رشد هیدرات بر حسب دمای تعادلی ارائه شد .
۱- مقدمه
هیدرات های گاز طبیعی منبع انرژی طبیعی وسیعی در زمین را تشکیل می دهند . آنها ترکیبات کریستالی غیراستوکیومتری هستند وزمانی تشکیل می شوند که پیوندهای هیدروژنی مولکول های آب حفره هایی را تشکیل می دهد که می توانند توسط مولکولهای مهمان اشغال شوند . این ترکیبات در شرایط فشارهای بالا و دماهای پایین از نظر ترمودینامیکی پایدار می باشند . این مولکولهای جانشین می توانند هیدروکربن های ساده نظیر ، آرگون ، کریپتون و زنون باشند . اولین بار sir humphry darvy در ۱۸۱۰ به هیدرات های گازی توجه کرد . آزمایشهای تجربی انجام شده توسط mori بیان می کند که رشد اولیه هیدرات در فیلم باریکی در سطح مشترک آب- جزء مهمان اتفاق می افتد و رشد و پراکندگی بیشتر توسط انتقال جرم در فیلم و یا در فاز توده سیال صورت می گیرد . skovborg و همکارانش در سال ۱۹۹۵ مدل سینتیکی برای تشکیل هیدرات دی اکسید کربن در آب در فشار بالا و دمای پایین ارائه کردند . در سال ۱۹۹۹ محققین مدلی برای کریستالیزاسیون هیدرات متان که به صورت ترکیبی از انتقال جرم در مرز مشترک گاز/مایع با بیلان جمعیتی است ، برای توصیف شرعت تشکیل هیدرات متان ارائه دادند. سینتیک تجزیه هیدرات متان توسط Clarke & bishnoi سالهای ۲۰۰۰-۲۰۰۱ بر پایه کار kim در سال ۱۹۸۷ به علاوه بیلان جمعیتی برای اندازه گیری توزیع اندازه ذرات مورد بررسی قرار گرفته است . در کار حاضر بطور مختصر به مطالعات مقالات و آزماشیهای انجام گیری ومدلسازی سرعت تجزیه هیدرات گازی تشکیل شده از مخلوطی از متان و اتان و سینتیک رشد فیلم هیدرات متان پرداخته و با استفاده از داده های آزمایشگاهی در دسترس معادلات تجربی با دقت مناسبی برای رشد هیدرات ارائه شد . بسیاری از مدلهای ترمودینامیکی موجود برای پیش گویی تشکیل هیدراتها از تغییرات و اصلاحات گوناگونی که توسط مدل Vdwp که توسط و اندروالس و پلاتو پیشنهاد شده است موجود می باشد [۱]. مولفینی و محققینی اخیرا پیشنهاد کرده‌اند که مکانیسمهای استاتیکی متناوب اساس تشکیل هیدراتها می باشد. اساس و هدف مدل vdw-p براساس فرض تشابه بین تشکیل هیدراتها و جذب لانگ مویر استوار است. هر چند مکانیسم جذب توانایی تفسیر خواص و حالتهای غیر استوکیومتری هیدراتها را دارد ولی، اختلافات زیادی بین دو پروسس وجود دارد. در این قسمت سعی خواهد شد که تا اندازه ای مکانیسم واقعی هیدراتها شرح داده شود که مشابه مدلهای هیدراتها باشد. در حین عملکرد خطوط لوله عادی، انسداد مشکل زیادی به وجود نمی‌آورد. با این وجود، مشکلات پیش بینی نشده مانند نقص پمپ یا اشکالات انتقال بازدارنده باعث ایجاد هیدرات و در نتیجه انسداد و حبس خطوط لوله می شود. از بین بردن این انقباض چند هفته طول می کشد. هدف از این کار تحقیق راجع به پدیده تجزیه هیدرات در خطوط لوله است. یک مدل کشف شده است که به تجزیه هیدرات در خطوط لوله شبیه است. یک آزمایش کشف شده است که اطلاعاتی را برای این مدل کسب می کند. هدف از این کار توسعه استراتژی بهینه برای از بین بردن هیدرات در خطوط لوله با انقباض دو طرفه است.

۲- تئوری و مکانیزم رشد
در اندازه گیری ومدلسازی سرعت تجزیه هیدرات های گازی تشکیل شده از مخلوطی از متان و اتان فرض شده که سرعت تجزیه یک جزء به حضور اجزاء دیگر بستگی ندارد. مراحل عملیاتی به سه دسته حل شدن گاز و رشد ذرات هیدرات ، پایداری و نهایتاً تجزیه ذرات هیدرات تقسیم می گردد. طی فرایند تشکیل ف هیدرات ها در فشاری بالاتر از فشار تعادلی سه فاز تشکیل نی شوند . در مرحله اول گاز در آب جذب شده و حل می گردد ، این مرحله تشکیل هسته هیدرات است . پس از اینکه هیدرات در زمان کافی رشد کرد ، ذخیره گازی متوقف می گردد و فشار در راکتور بالاتر از فشار تعادلی سه فازی می گردد . طی فاز پایداری فرض شده که فشار نزدیک فشار تعادلی است . فرآیند تجزیه همراه با کاهش فشار به مقداری کمتر از فشار تعادلی سه فاز صورت می پذیرد . در بررسی سینتیک رشد فیلم هیدرات متان مطالعات بر روی تغییرات هیدرات در سطح مشترک مایع/گاز با توجه به نیروی محرکه دمایی ، دمای تعادلی کشخص شده در سه فاز و دمای توده سیال در نظر گرفته می شود . مطابق شکل ۱ مکانیزم رشد اولیه کریستال ها به نیروی محرکه بستگی دارند. وقتی نیرو محرکه ضعیف باشد ، رشد مرحله ای حاکم است . به این طریق که مولکول ها بر روی سایت های پیچ خورده ای به صورت مرحله مرحله بهم می پیوندند و در مرز مشترک جامد فقط به وسیله حرکت جانبی و افقی گسترش می یابند . در نیروهای محرکه بالا ، مکانیزم پیوسته در فرآیند رشد حاکم است . در بحث مورد نظر ،سطح مشترک زبر و خشک است و مولکولها هر جایی روی سطح بهم پیوسته می شوند .

معادلات تجربی برای رشد هیدرات متان بر حسب دمای تعادلی
مدلسازی سرعت رشد هیدرات متان در فشارهای بالا mpa4-9 و دماهای پایین ۱-۴ درجه سلسیوس مورد مطالعه قرار گرفت. در بررسی های محققین ملاحظه شد که سرعت رشد هیدرات متان با افرایش دمای توده سیال کاهش می یابد .
نتایج نشان می دهد که هر دو دمای تعادلی و توده سیال برای مشخص کردن پیوستگی مولکولی در سطح مشترک هیدرات باید مشخص شوند . با توجه به مکانیسم رشد هیدرات متان و این نکته که سرعت رشد هیدرات متان با دمای تعادلی افزایش و با دمای توده سیال کاهش می یابد ، می توان معادلاتی را بر حسب دمای تعادلی در دمای مختلف توده سیال برای سرعت رشد هیدرات متان ارائه داد . در معادلات مورد بررسی dx/dt بیانگر سرعت رشد هیدرات در هر لحظه و نشانگر دمای تعادلی و سایر پارامترها مقادیر تجربی هستند که با استفاده از تکنیک گذراندن منحنی بدست می آیند .

نتیجه گیری
در کار مورد بحث ، نتایج نشان می دهند که به هم پیوستن مولکولها در مرز مشترک هیدرات تابع قویتری از دمای تعادلی نسبت به دمای توده سیال است و فرآیند رشد به وسیل مکانیزم دنبال می گردد. باتوجه به اینکه سرعت رشد هیدرات با افزایش دمای تعادلی به صورت یکنواخت افزایش می یابد ، معادلات تجربی برای رشد هیدرات بر حسب دمای تعادلی در دمای توده سیال که با دقت خوبی با دادههای آزمایشی انطباق دارند توسط نرم افزار matlab ارائه شد .

فهرست مطالب
عنوان صفحه
مقدمه ۱
بخش اول – ایده ها و معادلات اصلی ۲
کاربرد های CFD 5
CFD چیست ؟ ۶
معادلات مشخصه ی دینامیک سیالات ۹
مدلهای جریان مربوط به CFD 10
CFD در ایران / توضیحات و شرح ۲۳
آزمایش نانو سیلیکا با آمینوسیلان ، بررسی PH با نرم افزار CFD 27
معدله ی انرژی ۲۸
خلاصه ی معادلات مهم در دینامیک سیالات ۳۴
معادلات جریان لزج ۳۵
بررسی معادلات حاکم ۳۶
خلاصه ۴۰
بررسی عوامل موثر در سایش کاتالیست با توجه به PH در واحد FCC توسط نرم افزار CFD 42
مقدمه ۴۲
عنوان صفحه
فرمولاسیون مسئله ۴۵
معادلات حاکم بر جریان گاز ۴۶
معادلات حاکم بر فاز جامد ۴۸
شرایط مرزی و شبیه سازی CFD 50
بررسی نتایج ۵۲
نتیجه گیری ۵۸
فهرست علائم ۶۰
منابع ۷۰