فهرست مطالب

ردیف                                              صفحه
: هیدرات گازی و عوامل مؤثر در آن‌
1-1        هیدرات… 3
1-2        تشکیل هیدرات ها 3
1-3        شرایط تشکیل هیدرات… 4
1-4        فاکتورهای مؤثر در تشکیل هیدرات… 5
1-5        آب و گاز طبیعی.. 6
1-5-1          آب آزاد. 7
1-6        بیان مساله پژوهش… 8
1-7        ضرورت و اهمیت انجام پژوهش… 9
1-7-1          اهمیت هیدرات‌های گازی.. 10
1-7-2          زمینه‌های تحقیقاتی هیدرات… 11
1-8        وجه تمایز پژوهش با سایر پژوهش‌ها 11
1-9        اهداف پژوهش… 12
1-10         سؤالات پژوهش… 12
1-11         فرضیه‌های پژوهش… 13
1-12         انواع و ساختار هیدرات… 13
1-12-1        ساختار هیدرات نوع I 15
1-12-2        ساختار هیدرات نوع II 15
1-12-3        ساختار هیدرات نوع H. 16
1-13         اندازۀ مولکول مهمان. 17
1-14         سایر تشکیل دهنده‌های هیدرات… 19
1-14-1        فرئون‌ها 19
1-14-2        هالوژن‌ها 19
1-14-3        گازهای نجیب… 19
1-14-4        هوا 19
1-14-5        سایر تشکیل دهنده‌ها 20
1-15         کاربرد‌های هیدرات… 20
1-15-1        کریستال هیدرات در فرایند‌های جداسازی.. 20
1-15-2        غنی سازی اکسیژن با بهره گرفتن از تشکیل هیدرات گازی.. 21
1-15-3        تغلیظ به کمک تشکیل هیدرات… 21
1-15-4        هیدرات گازی و شیرین سازی آب دریا 21
1-15-5        جدا سازی دی اکسید کربن دریایی.. 22
1-15-6        ذخیره و انتقال گاز طبیعی.. 22
1-16         کریستال هیدرات در محیط زیست… 23
1-17         راه‌های جلوگیری از تشکیل هیدرات… 23
1-18         اثر افزودنی‌ها بر تشکیل هیدرات… 24
1-19         عوامل بازدارنده‌ تشکیل هیدرات‌ها 26
1-19-1        بازدارنده‌های ترمودینامیکی.. 27
1-19-2        بازدارنده‌های سینتیکی.. 28
1-19-3        بازدارنده‌های ضدتجمی یا ضد کلوخه ای.. 29
1-19-4        مواد افزودنی که هیدرات‌ها را در یکی از ساختار‌های I، II یا H پایدار می‌کند. 30
: تاریخچه و تحقیقات انجام شده در مورد هیدرات گازی
2-1        تاریخچه کشف هیدرات… 31
2-2        پیشینه تحقیق در ایران. 32
2-2-1          مطالعات پایه. 33
2-2-1-1          تعادلات فازی.. 33
2-2-1-1-1                مطالعات تجربی.. 33
2-2-1-1-2                مطالعات تئوری.. 35
2-2-1-2          سینتیک تشكیل و تجزیه هیدرات… 36
2-2-1-3          مطالعه ساختارهای مولکولی.. 37
2-2-1-4          خواص فیزیكی – حرارتی.. 38
2-2-2          مباحث زیست محیطی هیدرات… 38
2-2-2-1          اثرات گاز متان بر محیط زیست… 38
2-2-2-2          ذخیره سازی گاز دی اكسید كربن به شكل هیدرات… 39
2-2-3          توسعه هیدرات و كاربردهای نوین.. 39
2-2-3-1          جداسازی مخلوط های گازی.. 39
2-2-3-2          نمك زدایی آب دریا 40
2-2-3-3          ذخیره سازی و انتقال گاز طبیعی به صورت هیدرات… 40
2-2-3-4          ذخیره سازی انرژی گرمایی.. 41
2-2-4          اكتشاف و بهره برداری منابع طبیعی هیدرات گازی.. 41
2-2-5          تحلیل آماری.. 42
2-3        پیشینه تحقیق در خارج از ایران. 42
2-4        نمودارهای فازی برای طبقه بندی هیدرات‌ها 44
2-5        روش‌های محاسباتی دستی برای پیش‌بینی تشکیل هیدرات… 44
2-5-1          روش وزن مخصوص گاز. 45
2-5-2          روش ثابت تعادلی K. 46
2-5-3          روش بیلی- ویچرت… 47
2-5-4          دیگر روابط همبستگی.. 47
2-5-4-1          ماکاگون. 47
2-5-4-2          کوبایاشی و همکاران. 48
2-5-4-3          مطیعی 48
2-5-4-4          کسترگارد و همکاران. 48
2-5-4-5          تولر و مخاطب… 49
2-6        روش‌های رایانه‌ای برای پیش‌بینی تشکیل هیدرات… 49
2-6-1          تعادل فازی.. 49
2-6-2          واندروالس و پلاتیو. 51
2-6-3          پاریش و پراسنیتز. 51
2-6-4          انجی و رابینسون. 52
: بررسی روش­های بازدارنده در تشکیل هیدرات
3-1        روش تحقیق.. 53
3-2        مرحله قبل از پیدایش هیدرات… 54
3-2-1          نم‌زدایی از گاز طبیعی.. 54
3-2-1-1          نم‌زدایی از طریق گلایکول. 55

3-2-1-1-1                جاذب‌های مایع. 55
3-2-1-1-2                گلایکول‌ها 56
3-2-1-1-3                توصیف فرایند. 56
3-2-1-2          غربال‌های مولکولی.. 57
3-2-1-2-1                توصیف فرایند. 58
3-2-1-3          تبرید  59
3-2-1-3-1                توصیف فرایند. 59
3-3        تشکیل هیدرات حین شروع پدیده 60
3-4        تشکیل هیدرات با پیدایش مستمر پدیده 65
3-4-1          دینامیک سیالات عددی پژوهش… 66
3-4-1-1          مراحل آنالیز جریان به کمک نرم افزار کامسول. 67
3-4-1-2          پیش پردازش…. 67
3-4-1-3          حل عددی میدان جریان. 68
3-4-1-4          پس پردازش نتایج.. 69
3-4-1-5          نکات مهم در شبیه سازی عددی جریان. 70
3-4-1-6          چگونگی شبیه سازی عددی جریان. 71
3-4-1-7          مشکلات عمده 72
3-4-1-8          خطا‌ها 72
3-4-2          تئوری و فرمولاسیون. 73
3-4-2-1          معادلات Mixture Model, Laminar Flow.. 73
3-4-2-2          معادلات  Laminar Flow.. 76
3-4-2-3          معادلات  Heat Transfer in Fluid. 76
3-4-2-4          معادلات  Transport of Diluted Species 77
3-4-3          محاسبات تبخیر ناگهانی.. 77
3-4-4          مدل سازی و شرح مسئله. 78
3-5        مرحله بعد از پیدایش هیدرات… 84
3-5-1          انتخاب بازدارنده برتر. 88
: تجزیه و تحلیل داده‌ها (یافته‌ها)
4-1        مبارزه با هیدرات با بهره گرفتن از گرما و فشار. 92
4-1-1          کاهش فشار. 92
4-1-2          استفاده از گرما 93
4-1-3          اتلاف گرما از یک خط لولۀ مدفون. 94
4-1-3-1          سهم سیال. 95
4-1-3-2          سهم لوله. 95
4-1-3-3          سهم زمین.. 96
4-1-3-4          ضریب کلی انتقال حرارت… 96
4-1-3-5          حرارت منتقل شده 96
4-2        مبارزه با هیدرات با بهره گرفتن از مقاومت های انتقال حرارت و انتقال جرم. 97
4-2-1          انتقال جرم. 97
4-2-2          انتقال حرارت… 98
4-3        نتایج شبیه سازی مدل. 99
4-4        نتایج شبیه سازی شبکه انتقال گاز. 111
4-5        انتخاب بازدارنده برتر. 117
: نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1        نم‌زدایی گاز. 121
5-2        مقاومت‌های انتقال جرم و حرارت هیدرات… 122
5-3        مدل سازی قطاعی از لوله دارای هیدرات… 123
5-4        شبکه انتقال گاز. 125

 پیشنهادات ……………………………………………………………………………………………………….128
  منابع و مأخذ …………………………………………………………………………………………………..129
فهرست جدول‌ها
عنوان                                                                                                       صفحه
جدول ‏3‑1 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم متان- آب در دمای 274 کلوین.. 77
جدول ‏3‑2 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم اتان- آب در دمای 274 کلوین.. 77
جدول ‏3‑3 : محاسبات تبخیر ناگهانی سیستم پروپان- آب در دمای 274 کلوین.. 78
جدول ‏3‑4 : خواص گوشت لوله از جنس Stainless Steel 79
جدول ‏3‑5 : خواص آب درون لوله به صورت پراکنده 79
جدول ‏3‑6 : خواص گاز درون لوله به صورت پیوسته (گاز متان) 79
جدول ‏3‑7 : شرایط مرزی برای جریان سیال. 79
جدول ‏3‑8 : شرایط مرزی برای فاز پراكنده 79
جدول ‏3‑9 : مشخصات جریان مخلوط در درون لوله. 79
جدول ‏3‑10 : ورودی خواص سیال و ذرات جامد پراكنده به نرم افزار. 80
جدول ‏3‑11 : شرایط مرزی برای جریان سیال. 80
جدول ‏3‑12 : ورودی شرایط سیال آرام داخل لوله به نرم افزار. 80
جدول ‏3‑13 : داده‌های ورودی انتقال حرارت به نرم افزار. 81
جدول ‏3‑14 : شرایط مرزی برای انتقال حرارت داخل لوله. 81
جدول ‏3‑15 : داده‌های ورودی مومنتوم به نرم افزار. 81
) داخل لوله. 81
جدول ‏3‑17 : مشخصات مش بندی شبکه لوله. 82
جدول ‏3‑18 : مشخصات حل کننده شبیه سازی.. 82
جدول ‏3‑19 : تفکیک کننده‌های مسئله برای اعتبار سنجی حل کننده 82
جدول ‏3‑20 : داده‌های ورودی خط ایستگاه S003. 84
جدول ‏3‑21 : داده‌های ورودی خط ایستگاه S001. 84
جدول ‏3‑22 : داده‌های خروجی خط ایستگاه D001. 84
جدول ‏3‑23 : ترکیبات ورودی خط S003 به همراه ترکیب درصد‌های مولی.. 84
جدول ‏3‑24 : ترکیبات ورودی خط S001 به همراه ترکیب درصد‌های مولی.. 85
جدول ‏3‑25 : شرایط فیزیکی و محیطی لوله‌های انتقال گاز شبکه. 86
جدول ‏3‑26 : ترکیبات گازی لاوان. 88
جدول ‏3‑27 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در ابتدای خط انتقال گاز (حالت 1) 90
جدول ‏3‑28 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در انتهای خط انتقال گاز (حالت 1) 91
جدول ‏3‑29 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در ابتدای خط انتقال گاز (حالت 2) 91
جدول ‏3‑30 : تزریق مواد بازدارنده شیمیایی در انتهای خط انتقال گاز (حالت 2) 91
‌ فهرست نمودار‌ها
عنوان                                                                                                       صفحه
نمودار ‏2‑1 : نمودار نیمه لگاریتمی رشد انتشارات هیدرات در قرن بیستم. 32
نمودار ‏2‑2 : تعداد مقالات چاپ شده در سال‌های مختلف… 42
نمودار ‏3‑1 : تغییرات ارتفاع در خط L005. 85
نمودار ‏3‑2 : تغییرات ارتفاع در خط L006. 85
نمودار ‏3‑3 : تغییرات ارتفاع در خط L008. 86
نمودار ‏3‑4 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده MeOH با درصد وزنی مختلف… 88
نمودار ‏3‑5 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده NaCL با درصد وزنی مختلف… 88
نمودار ‏3‑6 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده KBr با درصد وزنی مختلف… 89
با درصد وزنی مختلف… 89
نمودار ‏3‑8 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده NaF با درصد وزنی مختلف… 89
نمودار ‏3‑9 : منحنی تشکیل هیدرات برای بازدارنده KCL با درصد وزنی مختلف… 90
نمودار ‏4‑1 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پراکنده برای مقطع 5/1 متری ورودی.. 100
نمودار ‏4‑2 : مقایسه غلظت فاز جامد حاصل از مدلسازی، در مقطعی ثابت در زمان‌های مختلف… 101
نمودار ‏4‑3 : توزیع سرعت محوری در زمان‌های 01/0 ،1/0 و 1 ثانیه پس از برقراری جریان. 101
نمودار ‏4‑4 : توزیع غلظت فاز جامد مدلسازی در دو سرعت ورودی 0.061 m/s و 0.029 m/s 102
نمودار ‏4‑5 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی کسر‌حجمی فاز پراکنده در مقطع پایین لوله. 103
نمودار ‏4‑6 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پیوسته در مقطع پایین لوله. 103
نمودار ‏4‑7 : مقایسه نتایج تجربی و مدلسازی غلظت فاز پراکنده در مقطع پایین لوله. 104
نمودار ‏4‑8 : تغییرات دما در طول لوله در سه مقطع اصلی.. 108
نمودار ‏4‑9 : تغییرات فشار در طول لوله در سه مقطع اصلی.. 108
نمودار ‏4‑10 : تغییرات کسر حجمی فاز پراکنده در طول لوله در سه مقطع اصلی.. 109
نمودار ‏4‑11 : تغییرات سرعت مخلوط در طول لوله در سه مقطع اصلی.. 109
نمودار ‏4‑12 : تغییرات دما در قطر لوله در دو مقطع میانی.. 109
نمودار ‏4‑13: تغییرات فشار در قطر لوله در دو مقطع میانی.. 110
نمودار ‏4‑14: تغییرات کسر حجمی فاز پیوسته و پراکنده در قطر لوله در دو مقطع میانی.. 110
نمودار ‏4‑15 : تغییرات غلظت فاز پیوسته و پراکنده در قطر لوله در دو مقطع میانی.. 110
نمودار ‏4‑16 : منحنی‌های تشکیل هیدرات برای هر سه خط شبکه انتقال. 111
نمودار ‏4‑17: تغییرات فشار در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 112
نمودار ‏4‑18: تغییرات دما در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 112
نمودار ‏4‑19 : تغییرات آنتالپی در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 113
نمودار ‏4‑20: تغییرات دانسیته در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 113
نمودار ‏4‑21 : تغییرات ویسکوزیته گاز در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 114
نمودار ‏4‑22 : تغییرات سرعت مخلوط در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال. 115
نمودار ‏4‑23 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بدون تزریق بازدارنده 116
نمودار ‏4‑24 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با 20 درصد غلظت… 116
نمودار ‏4‑25 : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با 30 درصد غلظت… 116
نمودار ‏4‑26 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 10 درصد وزنی.. 119
نمودار ‏4‑27 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 20 درصد وزنی.. 119
نمودار ‏4‑28 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 30 درصد وزنی.. 119
نمودار ‏4‑29 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 40 درصد وزنی.. 120
نمودار ‏4‑30 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 50 درصد وزنی.. 120
نمودار ‏4‑31 : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با 60 درصد وزنی.. 120
فهرست شکل‌ها
عنوان                                                                                                       صفحه
شکل ‏1‑1 : شماتیکی از تشکیل هیدرات در جداره لوله. 9
شکل ‏1‑2 : ساختار کریستال پایه برای یخ 4I 13
شکل ‏1‑3 : پیوند هیدروژنی میان پنج مولکول آب و تشکیل یک حلقه 5 مولکولی.. 14
شکل ‏1‑4 : تشکیل پیوند هیدروژنی میان دو مولکول آب… 14
شکل ‏1‑5 : ساختار I 15
شکل ‏1‑6 : ساختار II 16
شکل ‏1‑7 : ساختار H. 16
شکل ‏1‑8 : ساختارهای مختلف هیدرات گازی.. 17
شکل ‏1‑9 : مقایسه اندازه مولکول‌های مهمان، نوع هیدرات و حفره‌های اشغال شده 18
شکل ‏1‑10: دستگاه‌های تولید هیدرات گاز طبیعی.. 22
شکل ‏1‑11: دستگاه‌های تجزیه هیدرات… 22
شکل ‏1‑12 : منحنی وابستگی هیدرات به دما و فشار. 24
شکل ‏1‑13 : انواع افزودنی‌های هیدرات… 27
شکل ‏1‑14 : مکانسیم بازدارندگی از تشکیل هیدرات… 30
شکل ‏1‑15 : ساختار هیدرات به وجود آمده با تترا هیدرو فوران. 30
شکل ‏2‑1 : هزینه انتقال گاز در فواصل مختلف با روش‌های مختلف… 41
شکل ‏2‑2: نمودار فازی برای برخی از هیدروکربن گاز طبیعی ساده که هیدرات تشکیل می دهند. 44
شکل ‏2‑3 : نمودار هیدرات برای سه مخلوط مورد بررسی ویلکاکس و همکاران. 46
شکل ‏3‑1 : فرایند ساده شده یک واحد نم‌زدایی از طریق گلایکول. 57
شکل ‏3‑2 : فرایند ساده شده یک واحد خشک کن جامد به همراه دو برج.. 58
شکل ‏3‑3 : فرایند جریان ساده شده برای یک واحد تبرید به همراه تزریق گلایکول. 60
شکل ‏3‑4 : شمای کلی تغییرات دما در فاز مایع و کریستال هیدرات… 61
شکل ‏3‑5 : پروفایل غلظت در مسیر نفوذ گاز تا رسیدن به سطح هیدرات… 62
شکل ‏3‑6 : شماتیک مدل ارائه شده در حال تشکیل هیدرات… 66
شکل ‏3‑7 : شماتیک مکانیزم پیشنهادی تشکیل هیدرات از یک قطره آب… 66
شکل ‏3‑8 : شماتیكی از مدل لوله به همراه شرایط مرزی.. 78
شکل ‏3‑9 : شماتیکی از مش بندی شبکه لوله. 82
شکل ‏3‑10 : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده خطی.. 83
شکل ‏3‑11 : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده غیر خطی.. 83
شکل ‏3‑12 : گرافیک جریان‌های عبوری و ته نشین شدن ذرات هیدرات… 83
 

چکیده :

امروزه یکی از معضلات در خطوط انتقال گاز، پدیده هیدرات گازی است که ترکیبی از گازهای سبک مثل متان، اتان یا دی اکسید کربن با مولکول‌های آب تحت شرایط خاص دمایی و فشاری ماده‌ای شبیه به یخ را تشکیل می‌دهد که حجم زیادی از گاز را در خود جای داده است. هیدارت های گازی عموماً ته نشین شده و در نهایت توان عملیاتی خط را کاهش داده یا حتی به انسداد کلی خط لوله منجر می شود. بررسی پارامترها، متغییرها و عوامل تأثیر گذار تشکیل و حذف پدیده بسیار حائز اهمیت می باشد که در این پژوهش ابتدا مورد تجزیه‌ و تحلیل قرار‌ گرفته و سپسس سه وضعیت قبل، بعد و حین تشکیل هیدرات بررسی شده است.‌ در ‌قبل، نگاهی به روش‌ها، فرایند‌ها، مزایا و معایب واحدهای