منبع پایان نامه درمورد ميعانات، گازي، جداسازي

ل بيان است:
الف) توسعه تحقيقات با استفاده از داده‌هاي آزمايشگاهي
ب) طراحي نوع و اندازه دستگاه‌ها
ج) کنترل مشکلات واحدهاي صنعتي و بهينه کردن فرآيندها
د) بررسي روش‌هاي مختلف مدل سازي نانوفيلتراسيون بر مبناي معادلات انتقال جرم
ه) انتخاب مدل مناسب با توجه به شرايط سيستم
ح) بررسي روش‌هاي حل معادلات مدل
ط) بررسي کاربرد مدل در توصيف جداسازي يون کلر از ميعانات گازي
ي) تعويض يا تصحيح مدل در صورت عدم اعتبار آن در مورد ميعانات گازي

1-4- تعريف مساله و بيان سؤال‌هاي اصلي تحقيق
طبق برآوردها و پيش‌بيني‌هاي به‌عمل‌آمده، ظرفيت توليد ميعانات گازي ايران از 95 هزار بشکه در روز در سال 2001، به حدود يک ميليون بشکه در روز در سال 2013 خواهد رسيد. بيش‌ترين ميزان توليد ميعانات گازي ايران از ميدان گازي پارس جنوبي است. اين ميدان، بزرگ‌ترين منبع گازي است که بر روي خط مرزي مشترک ايران و قطر در خليج‌فارس و در فاصله 105 کيلومتري ساحل جنوبي ايران قرار دارد. مطالعات انجام‌شده نشان مي‌دهد که اين ميدان گازي، بيش از 14 تريليون متر مکعب گاز طبيعي و افزون بر 18 ميليارد بشکه ميعانات گازي را در خود جاي داده و روزانه 200 هزار بشكه از اين ميعانات به واسطه فازهاي يك تا پنج اين ميدان توليد مي شود. فقط روزانه 80 هزار بشکه از اين ميعانات در مجتمع پتروشيمي ايران (برزويه و بوعلي) مصرف شده و بخش عمدهاي از ميعانات صادر مي‌شود.
ميعانات گازي بر خلاف بوتان و پروپان نيازمند شرايط ويژه براي مايع ماندن نيستند و به شيوه‌هاي مختلف قادر به تبديل به نفت سبک، بنزين، سوخت جت و… هستند. در قياس با پالايشگاه نفت خام، در پالايشگاه ميعانات گازي، فرآيندهاي تبديلي و پالايشي، كم‌تر وجود دارد. بنابراين هزينه سرمايه‌گذاري آن نصف هزينه سرمايه‌گذاري پالايشگاه نفت خام است. اين محصول به دليل داشتن ارزش حرارتي بالا از اهميت قابل توجهي براي صادرات برخوردار مي باشد. به گونه اي که صادرات آن مي تواند هزينه سرمايه‌گذاري اوليه يک پالايشگاه گازي را ظرف مدت زمان کوتاهي برگرداند، به شرط آن‌که مشخصه فني مطلوب را داشته باشد. لذا باتوجه به حجم عظيم ميعانات توليدي كشور، يک بررسي كاربردي براي رسيدن به مشخصه فني مورد نظر و مطلوب براي استفاده بهينه از اين محصول، بسيار ضروري است. يکي از مشخصه‌هاي فني اين محصول، که نه فقط به لحاظ مصرف بلکه به لحاظ صادراتي نيز داراي اهميت بسزائي مي‌باشد، رنگ آن بوده که اين محصول را به دليل وجود يون‌هايي همچون کلر زرد رنگ مي‌نماياند.
اساسا ميعانات گازي مخلوطي از هيدروکربن‌ها، عمدتاً ، پنتان و هيدروکربن‌هاي سنگين‌تر (+C5) تشکيل شده و داراي گوگرد پايين و معمولا عاري از ناخالصي‌هاي فلزي هستند که هنگام استحصال گاز طبيعي خام از مخازن و بر اثر کم‌شدن فشار و افت دما، مايع مي‌شود. يکي از مواد موجود در مخازن گازي، آب حاوي نمک مي‌باشد که حين استخراج گاز، از چاه خارج شده و بيش تر آن با روش‌هاي فيزيکي جدا مي‌شود. ليکن در طي فرآيند استخراج، بخشي از اين محلول نمکي، همراه با فرآورده‌هاي مايع(يعني ميعانات گازي)، خارج مي‌شود که بدين ترتيب يون کلر نيز وارد ميعانات شده و کيفيت محصول را پايين مي آورد. لذا جداسازي يون کلر موجود در اين ميعانات، يکي از دغدغه‌هاي اصلي در امر پالايش اين محصول مي باشد به طوري که دست‌يابي به ميعانات عاري از کلر، ارزش اين محصولات را چندين برابر مي نمايد. از اينرو اعمال روش‌هايي به منظور جداسازي يون کلر از ميعانات گازي ضروري مي باشد. روش‌هاي مختلفي براي اين جداسازي وجود دارد که از جمله موارد مهم آن، فرآيند جداسازي غشائي و نانوفيلتراسيون است.
از نانوفيلتراسيون که با کمک غشاء انجام مي‌شود براي جداسازي يون‌هاي تک ظرفيتي استفاده مي‌شود. در اين روش مي توان، با استفاده از غشاهاي لايه متراکم، محلول‌هاي حاوي نمک را تغليظ نمود و بدين ترتيب، حلال به همراه يون هاي تک ظرفيتي از غشاء عبور مي کند در حاليکه يون‌هاي بزرگ‌تر يا با بار بيش تر قابليت عبور ندارند. ترکيبات غيرقطبي نيز متناسب با اندازه، قابليت عبور پيدا مي‌کنند.
هدف از اين پايان‌نامه، کاربرد غشاهاي نانوفيلتراسيون در جداسازي يون کلر موجود در ميعانات مي باشد که با استفاده از غشاهاي مناسب(قاعدتا آب‌دوست)، محلول نمکي موجود (که به صورت امولسيون‌هاي فوق ريز وجود دارند) را از ميعانات گازي خارج کرده و محصول نهايي، خالص‌سازي مي‌شود. با توجه به اينکه وجود يون کلر در ميعانات گازي، باعث افت کيفيت محصول مي‌شود؛ از يک سو جداسازي آن يک ضرورت است و از سوي ديگر به دليل کم بودن مقدار محلول نمکي در ميعانات گازي، استفاده از روش‌هاي معمول جداسازي امکان‌پذير و مقرون به‌صرفه نخواهد بود، لذا روش جداسازي غشايي با تکيه بر نانو فيلتراسيون مورد توجه قرار گرفته است.

فصل دوم

2- مروري بر تحقيقات گذشته

2-1- مدل هاي آزمايشگاهي
2-1-1- مدل DSPM
مدل سازي نانوفيلتراسيون جهت جداسازي يون کلر از ميعانات گازي براي اولين بار در دست اقدام است، اما موارد مدل سازي نانوفيلتراسيون مختلفي براي سيستم‌هاي ديگر در سال‌هاي گذشته انجام‌شده است. مدل نيمه تجربي DSPM5 بر اساس ممانعت فضايي و تعادل دونان6 براي اولين بار توسط براون7 در سال 1997 ارائه شد، اين مدل در پيش بيني عملکرد غشاي نانوفيلتراسيون در برخي از محلول هاي نمکي موفق بود[53]. براون و محمد در سال 1998 درصدد بهبود اين مدل برآمدند و اثرات انتقال جرم در محيط يوني را با معادله نرنست پلانک اصلاح شده در نظر گرفتند. . در اين کار سه پارامتر براي استفاده از مدل نياز است که عبارت اند از: ضخامت موثرغشا، چگالي بار موثر غشا و شعاع موثر حفره‌هاي غشا. با استفاده از اين مدل، غشا به صورت يک صفحه همگن غير متخلخل فرض شده و اثرات ناشي از تخلخل به صورت ضرايب تصحيح در نظر گرفته مي شود. نتايج حاصل از مدل با نتايج تجربي تطابق مناسبي را نشان داده‌ است اين مدل در زمان خود به موفق ترين مدل براي پيش بيني عملکرد نانوفيلتراسيون در محلول هاي يوني تبديل شد. فرضيات اين مدل براي حالت يک بعدي به ترتيب عبارتند از:
الف) انتقال در اثر نفوذ، جابجايي و اثرات الکترواستاتيک
ب) اثر مهاجرت و نفوذ با استفاده ازضرايب تصحيح
ج) استفاده از معادله هاگن- پويسوله8 براي اندازه گيري سرعت داخل حفره‌ها
د) درنظر گرفتن جريان داخل حفره‌هاي غشا به صورت آرام
ه) وابستگي فشار عملياتي سيستم به پتانسيل شيميايي حل‌شونده
ز) تشکيل لايه نازک تز حلال داخب حفره ها
ح) با در نظر گرفتن تغييرات ويسکوزيته حلال و ثابت دي‌الکتريک داخل حفره‌ها
ط) مستقل بودن حجم مولي جزيي و ضريب نفوذ مستقل از غلظت
ک) ناچيز بودن لايه غلظتي
ف) غلظت و پتانسيل الکتريکي در جهت محوري و اغماض از تغييرات آنها در جهت شعاعي صرف نظر مي‌شود.[54].
محمد9 و همکاران در سال 1998 سعي کردند تا با استفاده از اين مدل، معياري براي انتخاب غشاي بهينه پيدا کنند[55]. محلول مدل شده در همه اين موارد محلول‌هاي نمکي بوده اند، و کار چنداني روي محلول‌هاي آلي انجام نشده، چنانچه در مورد بخصوص ميعانات گازي سابقه اي در استفاده از نانوفيلتراسيون و مدل سازي آن مشاهده نشده است.
2-1-2- DSPM- DE10
مدل DSPM با وجود اين که به خوبي جداسازي يون هاي تک‌ظرفيتي را پيش‌بيني مي کرد، اما در پيش‌بيني جداسازي يون هاي دوظرفيتي دچار مشکل شده و در صورت زياد بودن دبي سيال عبوري از غشا خطاي قابل توجهي دارد، لذا به نظر مي رسيد که بايد تغييرات جديدي در مدل اعمال شود. يکي از مواردي که در مدل‌هاي قبل در نظر گرفته نشده بود، دافعه دي‌الکتريک بود. اين پديده در اثر برهم کنش الکترواستاتيک بين دو محيط با ثابت دي‌الکتريک متفاوت، که در تماس با هم قرار مي گيرند، ايجاد مي‌شود. در نهايت مدل DSPM- DE به منظور رفع نارسايي‌هاي مدل‌هاي قبل توسط بنديني11 و همکاران در سال 2003 ارائه گرديد[56]. در اين مدل معادله نرنست- پلانک اصلاح شده اساس انتقال جرم را تشکيل مي دهد. ودر آن اثرات انتقال جرم ناشي از جابجايي، نفوذ ناشي از اختلاف پتانسيل الکتروشيميايي که اختلاف غلظت قسمتي از آن است، در نظر گرفته شده است. نتايج اين مدل، حتي در مورد يون‌هاي دوظرفيتي هم تطابق مناسبي با نتايج تجربي را نشان مي دهد.
زيمسيک12 و همکاران در سال هاي 2005 و 2006، با استفاده از اين مدل سعي کردند تا تاثير بار موثر غشا، دبي عبوري و ضخامت را بر عملکرد نانوفيلتراسيون مدل کنند. در بررسي ها مشخص شد که وقتي دبي عبوري زياد و بار غشا کم باشد جابجايي، عامل اصلي انتقال جرم خواهد بود و زماني که بار غشا زياد و دبي عبوري کم باشد نفوذ عامل اصلي انتقال جرم خواهد بود[58 و 57]
براي حل دستگاه معادلات ديفرانسيل غير خطي حاصل از مدل هم تلاش‌هاي فراواني انجام‌شده است. برخي به دنبال راه‌هاي تحليلي بوده اند، که از جمله سورو13 و همکاران در سال 1991 با وجود پيچيده بودن مساله، موفق به حل دستگاه معادلات مشابه براي سيستم الکتروليتي شامل يون‌هاي يک‌ظرفيتي شدند[59]. براي غير از محلول هاي با يون هاي تک ظرفيتي استفاده از راه تحليلي ميسر نشد لذا از روش هاي عددي استفاده شد. از جمله، گاريکا14 و همکاران در سال 2004 از روش روش رانگ کوتا استفاده کردند[60]. در سال 2008، توسط جرالد15 و همکارانش براي حل مشکلات روش‌هاي قبل يک الگوريتم جامع ارائه گرديد. در اين روش نقاط ضعف کارهاي قبل مثل دقت پايين يا مشکلات همگرايي تا حد زيادي حل گرديد. در اين مقاله از روش خطي‌سازي معادلات براي حل آن‌ها استفاده شده و با تکنيک‌هاي عددي به کارگرفته شده، نتيجه بهتري نسبت به روش‌هايي نظير رانگ-کوتا مشاهده شد[61].

2-2-مدل هاي تئوري
2-2-1- مدل بار ثابت
مدل بار ثابت توسط مير16 و همکاران در سال 1936 براي انواع مختلف غشا در محلول هاي الکتروليت پيشنهاد شد. به طور خاص از اين مدل براي غشاهاي تبادل‌گر يوني استفاده شد و در ادامه براي مدل سازي غشاهاي اسمز معکوس باردار هم استفاده شد. اين مدل فرض مي کند که بار در سطح غشا به شکل يکنواخت پخش شده و به پارامترهاي ساختاري غشا نظير اندازه حفره بستگي ندارد. اين مدل از نظر رياضي و حجم محاسبات ساده است اما دامنه کاربرد محدودي دارد چرا که در مورد حفره هاي بزرگ نمي توان فرض بار يکنواخت را به کار برد[62].

2-2-2- مدل بار فضايي
يکي ديگر از مدل هاي رايج مورد استفاده مدل بار فضايي17 است. اين مدل بر مبناي معادلات هيدروديناميک جريان پيوسته است و اثرات الکترواستاتيک را هم لحاظ مي کند. همچنين توزيع شعاعي غلظت و پتانسيل الکتريکي را هم در نظر مي گيرد. در اين مدل دبي جرمي با معادلات اصلاح شده نرنست-پلانک لحاظ مي شود. اين مدل سال ها پيش از به وجودآمدن بحث مدل سازي نانوفيلتراسيون توسط استرل18 و همکاران در سال 1968 ارائه شد[64 ،63]. اين مدل نسبت به مدل بارثابت انعطاف پذيرتر است، چرا که توزيع بار در سطح غشا را يکنواخت در نظر نگرفته و توزيع شعاعي را براي بار در نظر مي گيرد. مشکل اين مدل اين است که از نظر رياضي پيچيده بوده و بار محاسباتي زيادي را به رايانه اعمال مي کند. سونين19 و همکاران در سال 1972 براي کاهش حجم محاسبات مدل بار فضايي از معادله پويسوله20 به جاي معادله ناوير استوکس براي به دست آوردن توزيع سرعت استفاده کردند[66 ،65].
لوين21 و همکاران هم در سال 1975 پيشنهاد کردند که به جاي حل معادله پويسون بولتزمن براي توزيع شعاعي بار، در شرايطي که غلظت الکتروليت کم بوده و پتانسيل الکتريکي زياد باشد مي توان از معادله اشپيگر22 استفاده کرد و

دیدگاهتان را بنویسید