پایان نامه مدل سازی و بررسی شرایط فیزیکی تشکیل هیدرات در لوله های انتقال گاز

فهرست:

1............... فصل اول : 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 فرآیند‌های جداسازی.. 20

1-15-2             غنی سازی اکسیژن با استفاده 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

2............... فصل دوم : 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 تشکیل و تجزیه هیدرات.. 36

2-2-1-3                   مطالعه ساختارهای مولکولی.. 37

2-2-1-4                   خواص فیزیکی - 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 اکسید کربن به شکل هیدرات.. 39

2-2-3               توسعه هیدرات و کاربردهای نوین.. 39

2-2-3-1                   جداسازی مخلوط های گازی.. 39

2-2-3-2                   نمک 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               اکتشاف 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

3........... فصل سوم : 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 فرآیند. 56

3-2-1-2                   غربال‌های مولکولی.. 57

3-2-1-2-1                          توصیف فرآیند. 58

3-2-1-3                   تبرید   59

3-2-1-3-1                          توصیف فرآیند. 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

4............... فصل چهارم : تجزیه و تحلیل داده‌ها (یافته‌ها)

4-1            مبارزه با هیدرات با استفاده 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 استفاده 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

5............... فصل پنجم : 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

5-5            انتخاب بازدارنده برتر. 126

                 پیشنهادات ......................................................................................................................128

                 منابع و مأخذ .................................................................................................................129

منبع:

Kvenvolden, Keith A.; Lorenson, Thomas D. (2001): The Global Occurrence of Natural Gas Hydrate. In Charles K. Paull, William P. Dillon (Eds.): Natural Gas Hydrates. Washington, D. C.: American Geophysical Union (Geophysical Monograph Series), pp. 3–18.

Makogon, I︠U︡. F. (1997): Hydrates of hydrocarbons. Tulsa, Okla.: PennWell Books.

Koh, Carolyn; Sloan, E. Dendy; Sum, Amadeu K. (2011): Natural gas hydrates in flow assurance. Amsterdam [u.a.]: Elsevier, GPP.

Chen, Litao; Sloan, E. Dendy; Koh, Carolyn A.; Sum, Amadeu K. (2014): Methane Hydrate Formation and Dissociation on Suspended Gas Bubbles in Water. In J. Chem. Eng. Data 59 (4), pp. 1045–1051. DOI: 10.1021/je400765a.

Tumba, Kaniki; Hashemi, Hamed; Naidoo, Paramespri; Mohammadi, Amir H.; Ramjugernath, Deresh (2013): Dissociation Data and Thermodynamic Modeling of Clathrate Hydrates of Ethene, Ethyne, and Propene. In J. Chem. Eng. Data 58 (11), pp. 3259–3264. DOI: 10.1021/je400727q.

Tumba, Kaniki; Hashemi, Hamed; Naidoo, Paramespri; Mohammadi, Amir H.; Ramjugernath, Deresh (2014): Phase Equilibria of Clathrate Hydrates of Ethyne + Propene. In J. Chem. Eng. Data, pp. 140307133341005. DOI: 10.1021/je500032z.

Sloan, Dendy; Creek, Jefferson; Sum, Amadeu K. (2011): Where and How Are Hydrate Plugs Formed? In : Natural Gas Hydrates in Flow Assurance: Elsevier, pp. 13–36.

Li, Bo; Li, Xiao-Sen; Li, Gang; Wang, Yi; Feng, Jing-Chun (2014): Kinetic Behaviors of Methane Hydrate Formation in Porous Media in Different Hydrate Deposits. In Ind. Eng. Chem. Res. 53 (13), pp. 5464–5474. DOI: 10.1021/ie500580y.

Lv, Xiaofang; Shi, Bohui; Wang, Ying; Gong, Jing (2013): Study on Gas Hydrate Formation and Hydrate Slurry Flow in a Multiphase Transportation System. In Energy Fuels 27 (12), pp. 7294–7302. DOI: 10.1021/ef401648r.

Moridis, G. J. (2013): Numerical Studies of Gas Production From Methane Hydrates. In SPE Journal 8 (04), pp. 359–370. DOI: 10.2118/87330-PA.

Chou, I. M.; Sharma, A.; Burruss, R. C.; Shu, J.; Mao, H.; Hemley, R. J. et al. (2000): Transformations in methane hydrates. In Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97 (25), pp. 13484–13487. DOI: 10.1073/pnas.250466497.

Wang, Wei Qiang; Fan, Kai Feng; Wan, Yu Fei; Wu, Ming; Le Yang (2014): Study on the Pigging Process of Rich Gas Pipeline. In AMR 884-885, pp. 242–246. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.884-885.242.

Carroll, John (2014): Hydrate Types and Formers. In : Natural Gas Hydrates: Elsevier, pp. 23–57.

Mehta, Ajay P.; Sloan, E. Dendy (1994): Structure H Hydrate Phase Equilibria of Paraffins, Naphthenes, and Olefins with Methane. In J. Chem. Eng. Data 39 (4), pp. 887–890. DOI: 10.1021/je00016a056.

Meng, Qingguo; Liu, Changling; Chen, Qiang; Ye, Yuguang (2013): Natural Gas Hydrate Dissociation. In Yuguang Ye, Changling Liu (Eds.): Natural Gas Hydrates. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp. 261–283.

Mondal, S.; Ghosh, S.; Chattaraj, P. K. (2013): A molecular dynamics study on sI hydrogen hydrate. In J Mol Model 19 (7), pp. 2785–2790. DOI: 10.1007/s00894-012-1625-7.

Ye, Yuguang; Liu, Changling (Eds.) (2013): Natural Gas Hydrates. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.

Lang, Xuemei; Fan, Shuanshi; Wang, Yanhong (2010): Intensification of methane and hydrogen storage in clathrate hydrate and future prospect. In Journal of Natural Gas Chemistry 19 (3), pp. 203–209. DOI: 10.1016/S1003-9953(09)60079-7.

Matsumoto, Yuuki; Grim, R. Gary; Khan, Naveed M.; Sugahara, Takeshi; Ohgaki, Kazunari; Sloan, E. Dendy et al. (2014): Investigating the Thermodynamic Stabilities of Hydrogen and Methane Binary Gas Hydrates. In J. Phys. Chem. C 118 (7), pp. 3783–3788. DOI: 10.1021/jp411140z.

Zhao, Wenhui; Wang, Lu; Bai, Jaeil; Francisco, Joseph S.; Zeng, Xiao Cheng (2014): Spontaneous formation of one-dimensional hydrogen gas hydrate in carbon nanotubes. In J. Am. Chem. Soc. 136 (30), pp. 10661–10668. DOI: 10.1021/ja5041539.

Zhou, Shi-dong; Yu, Yi-song; Zhao, Miao-miao; Wang, Shu-li; Zhang, Guo-Zhong (2014): Effect of Graphite Nanoparticles on Promoting CO2 Hydrate Formation. In Energy Fuels 28 (7), pp. 4694–4698. DOI: 10.1021/ef5000886.

Cha, Minjun; Shin, Kyuchul; Seo, Yutaek; Shin, Ju-Young; Kang, Seong-Pil (2013): Catastrophic growth of gas hydrates in the presence of kinetic hydrate inhibitors. In J Phys Chem A 117 (51), pp. 13988–13995. DOI: 10.1021/jp408346z.

Daraboina, Nagu; Malmos, Christine; Solms, Nicolas von (2013): Synergistic kinetic inhibition of natural gas hydrate formation. In Fuel 108 (0), pp. 749–757. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.02.018.

Perrin, Andrea; Musa, Osama M.; Steed, Jonathan W. (2013): The chemistry of low dosage clathrate hydrate inhibitors. In Chem Soc Rev 42 (5), pp. 1996–2015. DOI: 10.1039/c2cs35340g.

Sharifi, Hassan; Ripmeester, John; Walker, Virginia K.; Englezos, Peter (2014): Kinetic inhibition of natural gas hydrates in saline solutions and heptane. In Fuel 117, pp. 109–117. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.09.012.

Sharifi, Hassan; Walker, Virginia K.; Ripmeester, John; Englezos, Peter (2014): Inhibition Activity of Antifreeze Proteins with Natural Gas Hydrates in Saline and the Light Crude Oil Mimic, Heptane. In Energy Fuels 28 (6), pp. 3712–3717. DOI: 10.1021/ef500524m.

Boswell, Ray; Yamamoto, Koji; Lee, Sung-Rock; Collett, Timothy; Kumar, Pushpendra; Dallimore, Scott (2014): Methane Hydrates. In : Future Energy: Elsevier, pp. 159–178.

Carroll, John J. (2014): Natural gas hydrates. A guide for engineers. 3rd ed. Waltham, MA: Gulf Professional Pub.

Faizullin, M. Z.; Vinogradov, A. V.; Koverda, V. P. (2013): Formation of clathrate hydrates under crystallization of gas-saturated amorphous ice. In International Journal of Heat and Mass Transfer 65, pp. 649–654. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.06.023.

Foroozesh, Jalal; Khosravani, Abbas; Mohsenzadeh, Adel; Haghighat Mesbahi, Ali (2014): Application of artificial intelligence (AI) in kinetic modeling of methane gas hydrate formation. In Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. DOI: 10.1016/j.jtice.2014.08.001.

Mohebbi, V.; Behbahani, R. M. (2014): Experimental study on gas hydrate formation from natural gas mixture. In Journal of Natural Gas Science and Engineering 18, pp. 47–52. DOI: 10.1016/j.jngse.2014.01.016.

Musakaev, N. G.; Urazov, R. R.; Shagapov, V. Sh. (2006): Hydrate formation kinetics in piped natural-gas flows. In Thermophys. Aeromech. 13 (2), pp. 275–281. DOI: 10.1134/S0869864306020090.

Shahnazar, Sheida; Hasan, Nurul (2014): Gas hydrate formation condition: Review on experimental and modeling approaches. In Fluid Phase Equilibria 379, pp. 72–85. DOI: 10.1016/j.fluid.2014.07.012.

Tavasoli, Hamed; Feyzi, Farzaneh; Dehghani, Mohammad Reza; Alavi, Farzad (2011): Prediction of gas hydrate formation condition in the presence of thermodynamic inhibitors with the Elliott–Suresh–Donohue Equation of State. In Journal of Petroleum Science and Engineering 77 (1), pp. 93–103. DOI: 10.1016/j.petrol.2011.02.002.

Kodama, Takehide; Ohmura, Ryo (2014): Crystal growth of clathrate hydrate in liquid water in contact with methane + ethane + propane gas mixture. In J. Chem. Technol. Biotechnol., pp. n/a. DOI: 10.1002/jctb.4292.

Tsimpanogiannis, Ioannis N.; Economou, Ioannis G.; Stubos, Athanassios K. (2014): Methane solubility in aqueous solutions under two-phase (H–Lw) hydrate equilibrium conditions. In Fluid Phase Equilibria 371, pp. 106–120. DOI: 10.1016/j.fluid.2014.03.012.

Lyons, William C.; Plisga, Gary S. (2005): Standard handbook of petroleum & natural gas engineering. 2nd ed. Burlington, MA: Elsevier/Gulf Professional Pub.

Carroll, John (2014): Hand Calculation Methods. In : Natural Gas Hydrates: Elsevier, pp. 59–110.

Wilcox, Willard I.; Carson, D. B.; Katz, D. L. (1941): Natural Gas Hydrates. In Ind. Eng. Chem. 33 (5), pp. 662–665. DOI: 10.1021/ie50377a027.

Carson, Don B.; Katz, Donald L. (2013): Natural Gas Hydrates. In Transactions of the AIME 146 (01), pp. 150–158. DOI: 10.2118/942150-G.

Baillie, C.; Wichert, E. (1987): Chart gives hydrate formation temperature for natural gas. In Oil Gas J.; (United States) 85:14, pp. 9–37.

Elgibaly, Ahmed A.; Elkamel, Ali M. (1998): A new correlation for predicting hydrate formation conditions for various gas mixtures and inhibitors. In Fluid Phase Equilibria 152 (1), pp. 23–42. DOI: 10.1016/S0378-3812(98)00368-9.

Kobayashi R, Song KY, Sloan ED. Bradley HB (1987): Petroleum engineers handbook. In Richardson TX : SPE, pp. 1-25,25-28.

Motiee M (1991): Estimate possibility of hydrate. In HYDROCARBON PROCESSING, 70, pp. 98–99.

Østergaard, K. K.; Tohidi, B.; Danesh, A.; Todd, A. C.; Burgass, R. W. (2013): A General Correlation for Predicting the Hydrate-Free Zone of Reservoir Fluids. In SPE Production & Facilities 15 (04), pp. 228–233. DOI: 10.2118/66523-PA.

B F Towler; S Mokhatab (2005): Quickly estimate hydrate formation conditions in natural gases. Gas Engineering Consultant. In HYDROCARBON PROCESSING 84 (0018-8190), pp. 61–64.

Pedersen, K. S.; Fredenslund, Aage; Thomassen, P. (1989): Properties of oils and natural gases. Houston: Gulf Pub. Co., Book Division (Contributions in petroleum geology & engineering, 5).

Waals,J. H. van der; Platteeuw, J. C. (1958): Clathrate Solutions. In I. Prigogine (Ed.): Advances in Chemical Physics, vol. 2. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc (Advances in Chemical Physics), pp. 1–57.

Parrish, W. R.; Prausnitz, J. M. (1972): Dissociation Pressures of Gas Hydrates Formed by Gas Mixtures. In Ind. Eng. Chem. Proc. Des. Dev. 11 (1), pp. 26–35. DOI: 10.1021/i260041a006.

Ng, Heng-Joo; Robinson, Donald B. (1977): The prediction of hydrate formation in condensed systems. In AIChE J. 23 (4), pp. 477–482. DOI: 10.1002/aic.690230411.

Peng, Ding-Yu; Robinson, Donald B. (1976): A New Two-Constant Equation of State. In Ind. Eng. Chem. Fund. 15 (1), pp. 59–64. DOI: 10.1021/i160057a011.

Soave, Giorgio (1972): Equilibrium constants from a modified Redlich-Kwong equation of state. In Chemical Engineering Science 27 (6), pp. 1197–1203. DOI: 10.1016/0009-2509(72)80096-4.

Bahadori, Alireza (2014): Natural Gas Dehydration. In : Natural Gas Processing: Elsevier, pp. 441–481.

Carroll, John (2014): Dehydration of Natural Gas. In : Natural Gas Hydrates: Elsevier, pp. 175–195.

Mokhatab, Saeid; Poe, William A. (2012): Chapter 9 - Natural Gas Dehydration. In Saeid Mokhatab, William A. Poe (Eds.): Handbook of Natural Gas Transmission and Processing (Second Edition). Boston: Gulf Professional Publishing, pp. 317–352.

Stewart, Maurice I. (2014): Dehydration. In : Surface Production Operations: Elsevier, pp. 279–373.

Holman, J. P. (2010): Heat transfer. 10th ed. Boston, [Mass.]: McGraw Hill Higher Education (McGraw-Hill series in mechanical engineering).

Treybal, R. E. (1982): Mass-Transfer Operations. 3. ed. Auckland: McGraw-Hill (McGraw-Hill Chemical Engineering Series).

Pryor, Roger W. (©2012): Multiphysics modeling using COMSOL® 4. A first principles approach. Dulles, Va., Boston, Mass.: Mercury Learning and Information.

Zimmerman, William B. J (2006): Multiphysics modelling with finite element methods. New Jersey: London; World Scientific Pub. (Series on stability, vibration, and control of systems. Series A, v. 18).

Datta, Ashim K.; Rakesh, Vineet (2010): An introduction to modeling of transport processes. Applications to biomedical systems. Cambridge, UK, New York: Cambridge University Press (Cambridge texts in biomedical engineering).

PETERS, DAVID; SELIM, M. SAMI; Sloan, E. Dendy (2000): Hydrate Dissociation in Pipelines by Two-Sided Depressurization: Experiment and Model. In Annals of the New York Academy of Sciences 912 (1), pp. 304–313. DOI: 10.1111/j.1749-6632.2000.tb06784.x.

Gillies, R.G; Hill, K.B; McKibben, M.J; Shook, C.A (1999): Solids transport by laminar Newtonian flows. In Powder Technology 104 (3), pp. 269–277. DOI: 10.1016/S0032-5910(99)00104-7.

Gillies, R. G.; McKibben, M. J.; Shook, C. A. (2013): Pipeline Flow of Gas, Liquid And Sand Mixtures At Low Velocities. In Journal of Canadian Petroleum Technology 36 (09). DOI: 10.2118/97-09-03.

AUSTVIK, TORSTEIN; LI, XIAOYUN; GJERTSEN, LARS HENRIK (2000): Hydrate Plug Properties: Formation and Removal of Plugs. In Annals of the New York Academy of Sciences 912 (1), pp. 294–303. DOI: 10.1111/j.1749-6632.2000.tb06783.x.