مقدمه

به دلیل اهمیت رو به افزایش گاز طبیعی به عنوان یکی از حامل های تمیز انرژی و وجود منابع عظیم آن درجهان و از سوی دیگر افزایش قیمت جهانی نفت، کشورها به شناسایی، بهره برداری، تولید و تجارت گاز طبیعی تشویق و ترقیب شده اند. بدون شک گاز طبیعی منبع عظیم و مهم تامین انرژی در قرن جدید است. اما مهمترین مشکل در زمینه مصرف و بهره برداری بیشتر از این حامل انرژی، انتقال و ذخیره سازی آن می باشد. بعد مسافت بین مخازن طبیعی گاز و مراکز صنعتی مصرف کننده، مستلزم یافتن راهی برای تبدیل و انتقال اقتصادی گاز از محل تولید به نقاط مختلف جهان است.

پیشرفت های فناوری چند دهه اخیر راه های تاز های را پیش رو نهاده است و موجب شده تا سهم گاز در سبد مصرف انرژی در جهان تغییر نموده و با گذشت زمان افزایش یابد. یکی از این فناوری های جدید تبدیل گاز طبیعی به شکل هیدرات می باشد. هیدرات گازی، جامدی است بلوری که در آن مولکول های آب مولکول های گاز را احاطه کرده اند. گازهای زیادی وجود دارند که ساختار مناسبی برای تشکیل هیدرات دارند که از آن جمله می توان به دی اکسیدکربن، سولفیدهیدروژن و هیدروکربن های با تعداد کربن کم اشاره کرد. هیدرات های گازی که بیشتر در بستر دریاها تشکیل می شوند، از نوع متان هستند. این ماده که از آن به عنوان”یخ شعله ور” یاد می شود، دارای مقدار بسیار زیادی گازمتان می باشد و مکان تشکیل آن معمولاً رسوب کف اقیانوس ها و مناطق قطبی همیشه منجمد است. از خاصیت هیدرات می توان برای انتقال گاز سود جست.

یکی از مهمترین خواص هیدرات که آن را برای این کاربرد بسیار مورد توجه قرار داده است، ایمنی و ظرفیت ذخیره سازی بالای آن است. ولیکن تشکیل هیدرات با سرعت پایین انجام شده و از طرفی پس از تشکیل، پایدار نگه داشتن آن امر مهمی است.[۱]

شرایط تشکیل هیدرات عبارت از فشار و دمای مناسب، وجود مولکول آب و وجود مولکول گاز می باشد. شرایط تشکیل و انتقال هیدرات در شکل شماره ۱ آورده شده است.[۲ ]

×

شکل:۱ شرایط شکل گیری و انتقال [۲] NGH

فرایند تشکیل هیدرات دارای مراحلی کاملاً مشابه با فرایند کریستالیزاسیون بوده و شامل دو مرحله هسته زایی و رشد می باشد. مطالعات نشان داده که در صورت بوجود آمدن شرایط لازم کریستال هیدرات فوراً تشکیل نمی شود بلکه مدت زمانی

دومین همایش ملی هیدرات گازی ایران ۲۵-۲۶ اردیبهشت ۱۳۹۲، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز دانشگاه سمنان

طول می کشد تا آرایش لازم در میان مولکول های آب بوجود آمده و در نتیجه قفس ها تشکیل شوند که به این زمان، زمان تاخیر ( (Induction time می گویند.[۳-۴]

در شکل شماره ۲ مراحل مختلف فرایند تشکیل هیدرات را نشان می دهد: در این شکل هنگامی که آب و گاز در نقطه A در مجاورت همدیگر حضور داشته باشند امکان تشکیل هیدرات وجود ندارد و لازم است که دما کاهش یافته تا به نقطه B برسد. در این نقطه تشکیل هیدرات شروع شده و فشار سیستم کاهش می یابد که نشانگر مصرف گاز و محبوس شدن آن در حفره های هیدرات می باشد. و این روند کاهش تا نقطه ) C نقطه پایان تشکیل هیدرات) ادامه می یابد . چنانچه در این حالت مجدداً هیدرات را گرم نمائیم تجزیه می شود. البته همانطور که در شکل دیده می شود تا چند درجه افزایش هیدرات پایدار بوده و سپس محتوای خود را از دست می دهد تا به نقطه D می رسد. این نقطه محل تلاقی منحنی رفت و برگشت بوده و در واقع نقطه تعادلی دما و فشار هیدرات است. در حقیقت نقطه D بیانگر شرایط دما و فشاری تشکیل هیدرات برای گاز مربوطه

می باشد.[۵]

×

Hydrate
starts to
A form
Cooling
B

D

press.

Hydrate equilibrium T, P

Hydrate Heating

starts to C
× dissociate

Temp (K)

شکل :۲ مراحل مختلف فرایند تشکیل هیدرات[۵]

برای تولید هیدرات با محتوا و سرعت بالا از روش هایی همچون همزن مکانیکی، اسپری کردن آب در فاز گاز و ایجاد حباب گاز در یک مخزن آب استفاده شده است. برای اینکه هیدرات در فشار نزدیک به فشار آتمسفریک پایدار باقی بماند بایستی در دمای بین – ۱۰ تا – ۲۰ درجه سلسیوس سرد گردد. فشار مناسب برای اینکه هیدرات در محدوده ۸۰-۱۰۰ بار ( فشار تشکیل) پایدار بماند بستگی به درجه حرارت آن دارد.[۶-۷] هیدرات های گاز طبیعی که در شرایط تعادلی تشکیل می گردند شامل ۱۵ درصد گاز و ۸۵ درصد آب می باشد. شرایط واقعی فشار و درجه حرارت برای تشکیل و تجزیه هیدرات از تعادل

بررسی اثر پارامترهای موثر بر نرخ…

ترمودینامیکی حاصل می شود. اسکوبورگ۲ و راموسن ۳ به این نتیجه دست یافتند که نرخ تشکیل هیدرات وابسته به پدیده انتقال جرم و مستقل از سطح کل کریستالها می باشد[ ۸ ]
از آنجا که تولید هیدرات با نرخ بالا و پایدار ماندن آن در شرایط عملیاتی بهینه، توجیه اقتصادی آن را مناسب تر می نماید لذا در این مقاله سعی شده است که به بررسی اثر پارامترهای مکانیکی و عملیاتی فرایند هیدرات، برای بهبود نرخ تشکیل و پایداری هیدرات تشکیل شده بپردازد و اثر پارامترهای مکانیکی نظیر دور همزن و در قسمت پارامترهای عملیاتی، اثر دما و فشار را بر روند تولید هیدرات بررسی نماید

-۲ بخش تجربی

-۲-۱ مواد و تجهیزات

در انجام آزمایشات تولید هیدرات گازی، از گاز متان و دی اکسید کربن که در سیلندر تحت فشار محبوس است، و آب دیونیزه در تشکیل هیدرات استفاده شده است. راکتور های مورد استفاده در تولید هیدرات، راکتور مدل پار ۳۰۰ میلی لیتر و راکتور ۲ لیتری است.

-۲-۲انجام آزمایشات و بررسی پارامترهای موثر در تشکیل هیدرات

برای بررسی پارامترهای موثر در تشکیل هیدرات با توجه به امکانات و منابع موجود تعدادی از آزمایشات انتخاب و به مرحله اجرا درآمد. شرایط انجام آزمایشات در جدول شماره ۱ آورده شده است. این شرایط و پارامترها شامل بررسی دما در ۱ و ۴ درجه سلسیوس، دور همزن در ۱۵۰ و ۳۰۰ دور بر دقیقه، فشار عملیاتی در۵۰۰ psig تا ۱۷۰۰ psig فرایند تشکیل هیدرات و افزایش مقیاس راکتور تولید هیدرات گاز دی اکسید کربن از ۳۰۰ میلی لیتر به ۲ لیترمی باشد.

جدول ۱ :شرایط اولیه واکنش های انجام شده برای تولید هیدرات

×گاز استفاده شده ×حجم راکتور مقدار آب ×دمای اولیه ×فشار اولیه ×دور همزن شماره
(لیتر) )×لیتر) (oC) (psig) (rpm) ×آزمایش

CH4× ۰/۳× ۰/۱ ۴× ۱۷۰۰× ۱۵۰× ۱×
CH4 0/3× ۰/۱× ۴× ۵۳۰× ۱۵۰× ۲×

CH4 0/3× ۰/۱× ۱× ۷۰۰× ۱۵۰× ۳×

CH4 0/3× ۰/۱× ۴× ۱۷۰۰× ۳۰۰× ۴×

CO2× ۰/۳× ۰/۱× ۴× ۵۸۰× ۱۵۰× ۵×
CO2 2× ۱× ۴× ۵۸۰× ۱۵۰× ۶×

طرحی شماتیک از سیستم آزمایشگاهی تحت فشار تولید هیدات در شکل شماره ۳ نشان داده شده است. این سیستم شامل راکتور تحت فشار و سیر کولاتور خنک کننده می باشد. این راکتورها مجهز به همزن مورب است. راکتور مجهز به کویل داخلی از جنس استیل است که می تواند برای ورود و خروج ماده سرماساز و خنک سازی محتویات داخل راکتور استفاده گردد. با توجه به این که واکنش تولید هیدرات، گرمازا است و با افزایش دما روبرو است سیستم خنک ساز بایستی بتواند سریعا این اختلاف دما راجبران نماید.