میعانات گازی بر خلاف بوتان و پروپان نیازمند شرایط ویژه برای مایع ماندن نیستند و به شیوه‌های مختلف قادر به تبدیل 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. این محصول به دلیل داشتن ارزش حرارتی بالا از اهمیت قابل توجهی برای صادرات برخوردار می باشد. به گونه ای که صادرات آن می تواند هزینه سرمایه‌گذاری اولیه یک پالایشگاه گازی را ظرف مدت زمان کوتاهی برگرداند، به شرط آن‌که مشخصه فنی مطلوب را داشته باشد. لذا باتوجه به حجم عظيم ميعانات توليدي كشور، یک بررسي كاربردي براي رسيدن به مشخصه فني مورد نظر و مطلوب براي استفاده بهینه از اين محصول، بسيار ضروري است. یکی از مشخصه‌ های فنی این محصول، که نه فقط به لحاظ مصرف بلکه به لحاظ صادراتی نیز دارای اهمیت بسزائی می‌باشد، رنگ آن بوده که این محصول را به دلیل وجود یون‌هایی همچون کلر زرد رنگ می‌نمایاند.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

اساسا ميعانات گازي مخلوطی از هيدروکربن‌ها، عمدتاً ، پنتان و هیدروکربن‌های سنگین‌تر (+C5) تشکیل شده و دارای گوگرد پایین و معمولا عاری از ناخالصی‌های فلزی هستند که هنگام استحصال گاز طبیعی خام از مخازن و بر اثر کم‌شدن فشار و افت دما، مایع می‌شود. یکی از مواد موجود در مخازن گازی، آب حاوی نمک می‌باشد که حین استخراج گاز، از چاه خارج شده و بیش تر آن با روش‌های فیزیکی جدا می‌شود. لیکن در طی فرایند استخراج، بخشی از این محلول نمکی، همراه با فرآورده‌های مایع(یعنی میعانات گازی)، خارج می‌شود که بدین ترتیب یون کلر نیز وارد میعانات شده و کیفیت محصول را پایین می آورد. لذا جداسازی یون کلر موجود در این میعانات، یکی از دغدغه‌های اصلی در امر پالایش این محصول می باشد به طوری که دست‌یابی به میعانات عاری از کلر، ارزش این محصولات را چندین برابر می نماید. از اینرو اعمال روش‌هایی به منظور جداسازی یون کلر از میعانات گازی ضروری می باشد. روش‌های مختلفی برای این جداسازی وجود دارد که از جمله موارد مهم آن، فرایند جداسازی غشائی و نانوفیلتراسیون است.
از نانوفیلتراسیون که با کمک غشاء انجام می‌شود برای جداسازی یون‌های تک ظرفیتی استفاده می‌شود. در این روش می توان، با بهره گرفتن از غشاهای لایه متراکم، محلول‌های حاوی نمک را تغلیظ نمود و بدین ترتیب، حلال به همراه یون های تک ظرفیتی از غشاء عبور می کند در حالیکه یون‌های بزرگ‌تر یا با بار بیش تر قابلیت عبور ندارند. ترکیبات غیرقطبی نیز متناسب با اندازه، قابلیت عبور پیدا می‌کنند.
هدف از این پایان‌نامه، کاربرد غشاهای نانوفیلتراسیون در جداسازی یون کلر موجود در میعانات می باشد که با بهره گرفتن از غشاهای مناسب(قاعدتا آب‌دوست)، محلول نمکی موجود (که به صورت امولسیون‌های فوق ریز وجود دارند) را از میعانات گازی خارج کرده و محصول نهایی، خالص‌سازی می‌شود. با توجه به اینکه وجود یون کلر در میعانات گازی، باعث افت کیفیت محصول می‌شود؛ از یک سو جداسازی آن یک ضرورت است و از سوی دیگر به دلیل کم بودن مقدار محلول نمکی در میعانات گازی، استفاده از روش‌های معمول جداسازی امکان‌پذیر و مقرون به‌صرفه نخواهد بود، لذا روش جداسازی غشایی با تکیه بر نانو فیلتراسیون مورد توجه قرار گرفته است.
فصل دوم
2- مروری بر تحقیقات گذشته
2-1- مدل های آزمایشگاهی
2-1-1- مدل DSPM
مدل سازی نانوفیلتراسیون جهت جداسازی یون کلر از میعانات گازی برای اولین بار در دست اقدام است، اما موارد مدل سازی نانوفیلتراسیون مختلفی برای سیستم‌های دیگر در سال‌های گذشته انجام‌شده است. مدل نیمه تجربی DSPM[5] بر اساس ممانعت فضایی و تعادل دونان[6] برای اولین بار توسط براون[7] در سال 1997 ارائه شد، این مدل در پیش بینی عملکرد غشای نانوفیلتراسیون در برخی از محلول های نمکی موفق بود[53]. براون و محمد در سال 1998 درصدد بهبود این مدل برآمدند و اثرات انتقال جرم در محیط یونی را با معادله نرنست پلانک اصلاح شده در نظر گرفتند. . در این کار سه پارامتر برای استفاده از مدل نیاز است که عبارت اند از: ضخامت موثرغشا، چگالی بار موثر غشا و شعاع موثر حفره‌های غشا. با بهره گرفتن از این مدل، غشا به صورت یک صفحه همگن غیر متخلخل فرض شده و اثرات ناشی از تخلخل به صورت ضرایب تصحیح در نظر گرفته می شود. نتایج حاصل از مدل با نتایج تجربی تطابق مناسبی را نشان داده‌ است این مدل در زمان خود به موفق ترین مدل برای پیش بینی عملکرد نانوفیلتراسیون در محلول های یونی تبدیل شد. فرضیات این مدل برای حالت یک بعدی به ترتیب عبارتند از:
الف) انتقال در اثر نفوذ، جابجایی و اثرات الکترواستاتیک
ب) اثر مهاجرت و نفوذ با استفاده ازضرایب تصحیح
ج) استفاده از معادله هاگن- پویسوله[8] برای اندازه گیری سرعت داخل حفره‌ها
د) درنظر گرفتن جریان داخل حفره‌های غشا به صورت آرام
ه) وابستگی فشار عملیاتی سیستم به پتانسیل شیمیایی حل‌شونده
ز) تشکیل لایه نازک تز حلال داخب حفره ها
ح) با در نظر گرفتن تغییرات ویسکوزیته حلال و ثابت دی‌الکتریک داخل حفره‌ها
ط) مستقل بودن حجم مولی جزیی و ضریب نفوذ مستقل از غلظت
ک) ناچیز بودن لایه غلظتی
ف) غلظت و پتانسیل الکتریکی در جهت محوری و اغماض از تغییرات آنها در جهت شعاعی صرف نظر می‌شود.[54].
محمد[9] و همکاران در سال 1998 سعی کردند تا با بهره گرفتن از این مدل، معیاری برای انتخاب غشای بهینه پیدا کنند[55]. محلول مدل شده در همه این موارد محلول‌های نمکی بوده اند، و کار چندانی روی محلول‌های آلی انجام نشده، چنانچه در مورد بخصوص میعانات گازی سابقه ای در استفاده از نانوفیلتراسیون و مدل سازی آن مشاهده نشده است.
2-1-2- DSPM- DE[10]
مدل DSPM با وجود این که به خوبی جداسازی یون های تک‌ظرفیتی را پیش‌بینی می کرد، اما در پیش‌بینی جداسازی یون های دوظرفیتی دچار مشکل شده و در صورت زیاد بودن دبی سیال عبوری از غشا خطای قابل توجهی دارد، لذا به نظر می رسید که باید تغییرات جدیدی در مدل اعمال شود. یکی از مواردی که در مدل‌های قبل در نظر گرفته نشده بود، دافعه دی‌الکتریک بود. این پدیده در اثر برهم کنش الکترواستاتیک بین دو محیط با ثابت دی‌الکتریک متفاوت، که در تماس با هم قرار می گیرند، ایجاد می‌شود. در نهایت مدل DSPM- DE به منظور رفع نارسایی‌های مدل‌های قبل توسط بندینی[11] و همکاران در سال 2003 ارائه گردید[56]. در این مدل معادله نرنست- پلانک اصلاح شده اساس انتقال جرم را تشکیل می دهد. ودر آن اثرات انتقال جرم ناشی از جابجایی، نفوذ ناشی از اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی که اختلاف غلظت قسمتی از آن است، در نظر گرفته شده است. نتایج این مدل، حتی در مورد یون‌های دوظرفیتی هم تطابق مناسبی با نتایج تجربی را نشان می دهد.
زیمسیک[12] و همکاران در سال های 2005 و 2006، با بهره گرفتن از این مدل سعی کردند تا تاثیر بار موثر غشا، دبی عبوری و ضخامت را بر عملکرد نانوفیلتراسیون مدل کنند. در بررسی ها مشخص شد که وقتی دبی عبوری زیاد و بار غشا کم باشد جابجایی، عامل اصلی انتقال جرم خواهد بود و زمانی که بار غشا زیاد و دبی عبوری کم باشد نفوذ عامل اصلی انتقال جرم خواهد بود
برای حل دستگاه معادلات دیفرانسیل غیر خطی حاصل از مدل هم تلاش‌های فراوانی انجام‌شده است. برخی به دنبال راه‌های تحلیلی بوده اند، که از جمله سورو[13] و همکاران در سال 1991 با وجود پیچیده بودن مساله، موفق به حل دستگاه معادلات مشابه برای سیستم الکترولیتی شامل یون‌های یک‌ظرفیتی شدند[59]. برای غیر از محلول های با یون های تک ظرفیتی استفاده از راه تحلیلی میسر نشد لذا از روش های عددی استفاده شد. از جمله، گاریکا[14] و همکاران در سال 2004 از روش روش رانگ کوتا استفاده کردند[60]. در سال 2008، توسط جرالد[15] و همکارانش برای حل مشکلات روش‌های قبل یک الگوریتم جامع ارائه گردید. در این روش نقاط ضعف کارهای قبل مثل دقت پایین یا مشکلات همگرایی تا حد زیادی حل گردید. در این مقاله از روش خطی‌سازی معادلات برای حل آن‌ها استفاده شده و با تکنیک‌های عددی به کارگرفته شده، نتیجه بهتری نسبت به روش‌هایی نظیر رانگ-کوتا مشاهده شد[61].
2-2-مدل های تئوری
2-2-1- مدل بار ثابت
مدل بار ثابت توسط میر[16] و همکاران در سال 1936 برای انواع مختلف غشا در محلول های الکترولیت پیشنهاد شد. به طور خاص از این مدل برای غشاهای تبادل‌گر یونی استفاده شد و در ادامه برای مدل سازی غشاهای اسمز معکوس باردار هم استفاده شد. این مدل فرض می کند که بار در سطح غشا به شکل یکنواخت پخش شده و به پارامترهای ساختاری غشا نظیر اندازه حفره بستگی ندارد. این مدل از نظر ریاضی و حجم محاسبات ساده است اما دامنه کاربرد محدودی دارد چرا که در مورد حفره های بزرگ نمی توان فرض بار یکنواخت را به کار برد[62].
2-2-2- مدل بار فضایی
یکی دیگر از مدل های رایج مورد استفاده مدل بار فضایی[17] است. این مدل بر مبنای معادلات هیدرودینامیک جریان پیوسته است و اثرات الکترواستاتیک را هم لحاظ می کند. همچنین توزیع شعاعی غلظت و پتانسیل الکتریکی را هم در نظر می گیرد. در این مدل دبی جرمی با معادلات اصلاح شده نرنست-پلانک لحاظ می شود. این مدل سال ها پیش از به وجودآمدن بحث مدل سازی نانوفیلتراسیون توسط استرل[18] و همکاران در سال 1968 ارائه شد. این مدل نسبت به مدل بارثابت انعطاف پذیرتر است، چرا که توزیع بار در سطح غشا را یکنواخت در نظر نگرفته و توزیع شعاعی را برای بار در نظر می گیرد. مشکل این مدل این است که از نظر ریاضی پیچیده بوده و بار محاسباتی زیادی را به رایانه اعمال می کند. سونین[19] و همکاران در سال 1972 برای کاهش حجم محاسبات مدل بار فضایی از معادله پویسوله[20] به جای معادله ناویر استوکس برای به دست آوردن توزیع سرعت استفاده کردند.
لوین[21] و همکاران هم در سال 1975 پیشنهاد کردند که به جای حل معادله پویسون بولتزمن برای توزیع شعاعی بار، در شرایطی که غلظت الکترولیت کم بوده و پتانسیل الکتریکی زیاد باشد می توان از معادله اشپیگر[22] استفاده کرد و به این ترتیب مساله از نظر محاسباتی ساده تر شد[67]. در سال 1995 وانگ[23] و همکاران از مدل بار فضایی برای پیش بینی عملکرد غشای نانوفیلتراسیون استفاده کردند و نتایج را با حل تحلیلی و نیز مدل بار ثابت مقایسه کردند. که نتایج هر دو مدل، مخصوصا در مورد حفره های ریز تطابق مناسبی با یکدیگر داشت[68].
2-3- مدل‌سازی الیاف توخالی[24]
گرچه فرآیندهای انتقال جرم و جداسازی در اشکال مختلف غشاها انجام شده ولی در این میان غشاهای الیاف توخالی بیش تر از سایر انواع مورد استفاده صنعتی واقع شده است. الیاف توخالی که شماتیکی از آن ها در شکل 2-1 نشان داده شده، معمولا برای فرآیندهایی با نیرومحرکه فشارطراحی می شوند و بیش تر به صورت سیستم متشکل از جریان های موازی استفاده می شوند، به شکلی که دو سیال موازی هم ولی در جهت مخالف هم جریان دارند. در اغلب کاربردها از غشای الیاف توخالی میکرومتخلخل استفاده شده است که اندازه حفرات در آن یکنواخت بوده است. ظرفیت الیاف توخالی بسته به کاربرد آن می تواند متفاوت باشد و تا دبی های حدود چندهزار لیتر در دقیقه را هم می تواند پوشش دهد. چنین غشاهایی در کار سنگوبتا[25] و همکاران در سال 1994 به کار رفته است[69].
شکل 2-1- شمایی از سیستم غشایی الیاف توخالی[70]
مطالعات و کارهای زیادی در زمینه استفاده از الیاف توخالی برای مصارف صنعتی صورت گرفته است. در این کارها از اشکال مختلف سیستم و نیز مواد متفاوتی استفاده شده است. رید[26] و همکارانش در سال 1994 جداسازی ترکیبات آروماتیک از پساب های صنعتی را در هلند انجام دادند که در آنl/h 75 از پساب آب در سه بخش مجزای سیستم مورد جداسازی واقع شد که هرکدام از این بخش ها دارای سطح مقطع m23-2 است[71]. این سیستم غشایی ازنظر جداسازی عملکردی مطلوب داشته است به لحاظ اقتصادی هم مناسب و قابل مقایسه با سایرفرآیندهای مشابه بوده است. طی یک تحقیق دیگر سیرکار[27] و همکاران در سال 1991 از مدول های الیاف توخالی آب دوست جهت جداسازی اسید سیتریک از آب استفاده کردند. اثر دبی فاز آبی، اثر دبی فاز آلی و غلظت مورد بررسی واقع شد و یک مدل ریاضی برای پیش بینی اثر واکنش شیمیایی روی انتقال جرم هم پیشنهاد داده شده است[72].
دو مثال از جداسازی مایع-مایع توسط ماستو مورا[28] و همکاران در سال 1991 بررسی شده است. که در آن ها از غشای آب دوست برای مطالعه استخراج اتانول، ایزوپروپانول و ان-بوتانول استفاده شده است[73]. بروس[29] در سال 1993 از روغن پیاز و بقیه گیاهان برای انجام فرایند جداسازی روی جریان های پساب استفاده کرد[74]. در بیش تر مصارف صنعتی و تحقیقاتی از نمونه های کوچک غشاهای الیاف توخالی استفاده شده است. اما سیستم های بزرگ به دلیل مشکلات مواد و ساخت هنوز به طور گسترده قابل استفاده نشده است.
مدل های زیادی برای پیش بینی عملکرد الیاف توخالی ها استفاده شده است که از کار ژانگ[30] در سال 1985شروع شده است و پس از آن نیز کارهای دیگری انجام شده است[75]. در این مطالعات هم جذب فیزیکی و هم جذب شیمیایی در این فرایند مطالعه شده است. یکی از رایج ترین تحقیقات در این سال ها مطالعه بر جداسازی کربن دی اکسید از گاز طبیعی بوده است. که کارهای زیادی روی جذب آن انجام شده است. از جمله محمد و همکاران در سال 2008 مدل سازی حذف دی اکسید کربن از گاز طبیعی را با بهره گرفتن از غشای الیاف توخالی انجام دادند که نتایج مدل سازی تطابق بسیار مناسبی با داده های تجربی داشت در این مدل‌سازی برای سادگی کار یک فیبر و فضای اطراف آن در سمت پوسته به صورت یک استوانه تودرتو فرض می شود که شکل2-2 شمایی از این نوع فرض را در مورد غشای الیاف توخالی رانشان می دهد. [76].
غشاهای الیاف توخالی انواع مختلفی به لحاظ اندازه حفرات غشا دارد. یکی از انواع غشاهای الیاف توخالی که در سال‌های اخیر مورد استفاده قرار گرفته ، غشاهای الیاف توخالی نانومتخلخل است که در فرآیندهای جدید مورد توجه واقع شده است. از جمله وانگ[31] و همکاران در سال 2006 از غشای نانوفیلتراسیون الیاف توخالی برای حذف کرومات استفاده کردند[77].
شکل 2-2- غشای الیاف توخالی ، الف: فرض یک استوانه تودرتو برای یک فیبر غشا ها ب: مقطع عرضی واقعی سیستم[76]
2-4- مدل سازی برمبنای دینامیک سیالات محاسباتی
در سال های گذشته مطالعات عددی زیادی روی غشاهای مختلف نظیر میکروفیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون انجام شده است. یکی از زمینه های نو و مورد اقبال محققان استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی بوده که قابلیت های بسیاری در مدل سازی پدیده های مختلف شیمیایی و فیزیکی داشته است. با توجه به این که معمولا در غشا با معادلات پدیده های انتقال مواجه هستیم لذا استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی در این مورد کاملا موجه به نظر می رسد. در سال 2001 جرالد[32] و همکاران با بهره گرفتن از دینامیک سیالات محاسباتی غشای نانوفیلتراسیون را مدل کردند و با بهره گرفتن از روش المان محدود، دستگاه معادلات حاصل از مدل سازی را حل کردند. شمایی از سیستم غشایی مدل شده در شکل2-3 نشان داده شده است. همچنان که مشخص است سیستم غشایی از یک کانال تشکیل شده که قسمت پایین آن را غشای نانوفیلتراسیون پوشانده است[78]. در سال 2005 رحیمی و همکاران با بهره گرفتن از مدل سه بعدی سیالاتی برای مدل سازی توزیع فشار در غشای میکروفیلتراسیون و دبی عبوری از آن استفاده کردند[79].
شکل2-3- سیستم غشایی شامل کانال عبور جریان و غشای نانوفیلتراسیون[78]
2-5- مدل سازی بر مبنای هوش مصنوعی
در مهندسی شیمی مثل همه زمینه های مهندسی شبکه های عصبی استفاده های متنوع و فراوانی داشته است ازجمله شبکه عصبی قادر به مدل سازی سیستم های پیچیده و غیرخطی نانوفیلتراسیون بوده است در این زمینه هم توسط محققان استفاده شده است. در سال 2000 توسط براون و همکاران برای پیش بینی عملکرد نانوفیلتراسیون در محلول های نمکی نظیر سدیم کلرید استفاده شد که نتایج حاصل از مدل سازی تطابق بسیار مناسبی با داده های آزمایشگاهی داشت[80]. همچنین در سال 2003 توسط گریشما[33] و همکاران از شبکه عصبی مصنوعی برای پیش بینی عملکرد غشای نانوفیلتراسیون در محلول های آبی استفاده شد[81].
فصل سوم
3- مدل سازی
­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­
3-1- مدلDSPM-DE
در این مدل برهم‌کنش الکترواستاتیک ناشی از تفاوت ثابت دی‌الکتریک محلول و غشا هم لحاظ شده است. اساس مدل عبارت است از:
الف) اثر استریک[34]
این اثر به نقش اندازه یون‌ها و حفره‌ها در عبور یون‌ها از غشا یا عدم عبور و بازگشت آن‌ها به محلول مربوط می‌شود. ممانعت فضایی ناشی از اندازه یون‌ها توسط ضرایب تصحیح در معادله نرنست-پلانک لحاظ می‌شوند.

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...