پایان نامه ارشد : شبیه سازی پدیده ی کشش سطحی دینامیکی در سیستم های نفت-حلال بر اساس فرآیند نفوذ

دانلود پایان نامه رشته مهندسی شیمی

عنوان : شبیه سازی پدیده ی کشش سطحی دینامیکی در سیستم های نفت-حلال بر اساس فرآیند نفوذ

دانشگاه شیراز

دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز

 

پایان‌نامه کارشناسی ارشد در رشته‌ی مهندسی شیمی

 

 

شبیه سازی پدیده­ی کشش سطحی دینامیکی در سیستم­های نفت-حلال بر اساس فرآیند نفوذ

  

 

 

اساتید راهنما

دکتر سید شهاب الدین آیت اللهی

دکتر پیمان کشاورز

اسفند 1391


(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)


چکیده
 
شبیه سازی پدیده­ی کشش سطحی دینامیکی در سیستم­های نفت حلال بر اساس فرآیند نفوذ
 
یکی از فرآیند­های مطرح در زمینه­ ازدیاد برداشت از مخازن نفتی، تزریق گاز است. بنابراین دریافتی صحیح از مکانیزم­ها و چگونگی انجام این فرآیندها گامی بزرگ در جهت افزایش بهره­وری از مخازن نفتی به شمار می­آید. در این تحقیق، مکانیزم انتقال جرم در سیستم­های گاز- مایع برای دو هیدروکربن موجود در نفت، در حضور گازهای دی اکسید کربن و نیتروژن مورد بررسی قرار می­گیرد. از آنجایی که تغییر کشش سطحی دینامیک نتیجه­ی انتقال جرم بین فاز مایع و گاز است، در تحقیق حاضر، دو مدل انتقال جرمی مختلف برای این سیستم­ها بر اساس داده­های کشش سطحی دینامیکی موجود در مرکز ازدیاد برداشت ارائه گردید. با مقایسه­ی نتایج به دست آمده از مدل­ها با نتایج واقعی، مدل انتقال جرمی شامل مقاومت در مرز دو سیال، به عنوان مدل انتقال جرمی صحیح انتخاب و اثر پارامترهای دما، فشار و زمان بر روی ضرایب انتقال جرم مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج به دست آمده، ضریب انتقال جرم در مرز دو سیال با گذشت زمان، کاهش و با افزایش فشار، افزایش می­یابد؛ اما تغییرات این ضریب با دما روند مشخصی ندارد که علت آن اثر متفاوت دو پدیده­ی حلالیت و نفوذپذیری در انتقال جرم می­باشد. به طور کلی در سیستم­هایی که نیتروژن به عنوان فاز گاز به کار رفته باشد، نسبت به سیستم­های شامل دی اکسید کربن، مقاومت انتقال جرمی در مرز دو سیال بیشتر است. علاوه بر این، سیستم­های شامل هپتان، مقامت مرزی کمتری نسبت به سیستم­های حاوی هگزادکان از خود نشان می­دهند.
 
 
فهرست مطالب
 
 

عنوان                                             صفحه

 
فصل اول: مقدمه1
فصل دوم: مبانی تحقیق.4
2-1- کشش سطحی تعادلی و روش­های اندازه گیری آن.5
2-1-1- دسته­ی اول: اندازه گیری با استفاده از یک میکروبالانس7
2-1-2- دسته­ی دوم: اندازه گیری فشار مویینگی8
2-1-3- دسته­ی سوم: آنالیز تعادل بین نیروهای گرانش و موئینه .9
2-1-4- دسته­ی چهارم: آنالیز قطره­های منحرف شده بر اثر گرانش . 10
2-2- کشش سطحی دینامیک .13
 فصل سوم: روش های اندازگیری ضریب نفوذ 14
3-1- روش های اندازه گیری ضریب نفوذ به صورت مستقیم.16
3-2- روش های اندازه گیری ضریب نفوذ به صورت غیر مستقیم.16
3-2-1- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس تغییر حجم گاز 16
3-2-2- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس تغییر فشار گاز18
3-2-3- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس آنالیز کشش سطحی تعادلی و دینامیکی.19
3-2-4-  اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس شکل قطره­ی معلق22
3-2-5-  اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس حجم قطره­ی معلق25
فصل چهارم: مروری بر تحقیقات انجام شده.27
4-1- پیشینه­ی تحقیق.28
فصل پنجم: انجام کار.32
5-1- قسمت آزمایشگاهی33
5-1-1- مواد به کار رفته  34
5-1-2- تجهیزات به کار رفته در آزمایش.34
5-1-3- شرح آزمایش35
5-2- قسمت مدلسازی.36
5-2-1- مدل انتقال جرمی 37 فصل ششم: نتایج44
6-1- اندازه گیری کشش سطحی دینامیکی.44
6-2- کشش سطحی تعادلی.47
6-3- محاسبه­ی ضریب نفوذ با فرض عدم وجود مقاومت در مرز گاز- مایع52
6-4- محاسبه­ی ضریب انتقال جرم در مرز گاز- مایع با فرض وجود مقاومت مرزی.59
6-5- اثر دما، فشار و زمان روی ضریب انتقال جرم مرزی60
فصل هفتم: نتیجه گیری.72
فصل هشتم: پیشنهادات75
 منابع.77
 
 
 
فهرست جداول
 
 

عنوان و شماره                                            صفحه

 
جدول6-1- فهرستی از پارامترهای مورد نیاز برای شبیه سازی فرآیند انتقال جرم51
جدول6-2- مقایسه­ی مقدار ضریب نفوذ در سیستم­های دی اکسید کربن- هگزادکان و دی اکسید کربن- هپتان.57
جدول6-3- مقایسه­ی مقدار ضریب انتقال جرم مرزی برای سیستم­های مختلف در دماها و فشارهای متفاوت58
 
 
 
فهرست اشکال
 
 

عنوان و شماره                                            صفحه

شکل 2-1 شکل یک فیلم صابونی که روی چارچوبی فلزی کشیده شده است  6
شکل 2-2 استفاده از روش لوله مویین برای اندازه گیری کشش سطحی9 شکل 2-3 تعریف ابعاد و مولفه های توصیف شده در دسته­ی چهارم.11
شکل 2-4 تعریف مولفه های روش قطره معلق11
شکل 2-5 شماتیک روش چرخش12
شکل 3-1 شرایط انتقال جرم به کار گرفته شده در تعیین ضریب نفوذ با استفاده از تغییر حجم فاز گاز.17
شکل 3-2 شماتیک تجهیزات آزمایشگاهی روش بدست آوردن ضریب نفوذ از طریق کشش سطحی .20
شکل3-3 تصویر شماتیک یک قطره که به وسیله­ی گاز محاط شده است21
شکل 5-1 شماتیک تجهیزات استفاده شده برای اندازه گیری کشش سطحی (1- محفظه­ی شیشه ای پر فشار، 2- دستگاه تولید کننده­ی فشار، 3- مانومتر، 4- مخزن گاز، 5- مخزن مایع) 34
شکل 5-1 شماتیک یک قطره مایع معلق در حضور گاز پر فشار دی کسید کربن37
شکل 6-1 کشش سطحی دینامیکی اندازه­گیری شده برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان در فشار MPa895/6 و دماهای مختلف45 شکل 6-2 کشش سطحی دینامیکی اندازه­گیری شده برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان در فشار MPa447/3 و دماهای مختلف45
شکل 6-3 کشش سطحی دینامیکی اندازه­گیری شده برای سیستم نیتروژن- هگزادکان در فشار MPa270/18 ودماهای مختلف46
شکل 6-4 کشش سطحی دینامیکی اندازه­گیری شده  برای سیستم ننیتروژن- هپتان در فشارMPa 270/18ودماهای مختلف 46
شکل 6-5 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط دی اکسید کربن- هگزادکان در دماهای مختلف.47
شکل 6-6 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط دی اکسید کربن- هپتان در دماهای مختلف .48
شکل 6-7 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط نیتروژن- هگزادکان در دماهای مختلف48
شکل 6-8 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط نیتروژن- هپتان در دماهای مختلف 48
 شکل 6-9 منحنی کالیبراسیون برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان در دماهای مختلف.50
شکل 6-10 منحنی کالیبراسیون برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان در دماهای مختلف50
شکل 6-11 منحنی کالیبراسیون برای سیستم نیتروژن- هگزادکان در دماهای مختلف.51 
شکل 6-12 منحنی کالیبراسیون برای سیستم نیتروژن- هپتان در دماهای مختلف51
شکل 6-13 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان در دماهای مختلف و فشار و فشار(آ) MPa 447/3 (ب) MPa481/4 (ج) MPa895/6.61
شکل 6-14 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان در دماهای مختلف و فشار (آ) MPa 724/1 (ب) MPa447/3 (ج) MPa481/4.62
شکل 6-15 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم نیتروژن- هگزادکان در دماهای مختلف و فشار (آ) MPa 481/4 (ب)  MPa618/8 (ج)  MPa166/25 (د)  MPa713/41.64
شکل 6-16 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم نیتروژن- هپتان در دماهای مختلف و فشار (آ) 481/4 (ب) MPa618/8 (ج)  MPa166/2566 شکل 6-17 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان 69
شکل 6-18 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان.69
شکل 6-19 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم نیتروژن- هگزادکان.70
شکل 6-20 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم نیتروژن- هپتان.70
 
مقدمه
 
مطالات اخیر نشان می­دهد که فرآیند نفوذ مولکولی یک گاز مثل دی اکسید کربن، نقشی اساسی در فرآیندهای استحصال نفتی بازی می­کند. بنابراین مطالعه­ی انتقال جرم در سیستم­های گاز-نفت، در شرایط دمایی و فشاری مخزن ضروری به نظر می­رسد ]4-1[.
از نظر فیزیکی، فرآیند نفوذ مولکولی گاز در نفت طی سه مرحله صورت می­گیرد. ابتدا گاز تزریقی به سمت مرز گاز-نفت حرکت کرده و سپس در مرز نفوذ می­کند و در نهایت وارد فاز نفتی می­گردد. انتقال جرم گاز در نفت باعث می­شود خصوصیات مرزی بین نفت خام و گاز تزریقی تغییر کند. در گذشته مطالعات زیادی برای تعیین پارامترهای انتقال جرم در  سیستم­های مختلف گاز-نفت ارائه شده است. یکی از این روش­­ها استفاده از تغییر کشش سطحی دینامیکی سیستم است ]5[.
کشش سطحی در مرز دو سیال، نتیجه­ی انرژی اضافه­ای است که در اثر نیروهای بین مولکولی اشباع نشده در سطح به وجود می­آید ]6[. این پارامتر با روش­های گوناگونی قابل اندازه­گیری است که در فصل دوم به طور کامل در مورد آنها توضیح داده شده است.
طبق بررسی­های به عمل آمده، کشش سطحی احتمالا مهم­ترین عاملی است که سبب می­شود حدود یک­ سوم نفت درجا، پس از سیلاب­زنی با آب یا رانش با گاز، به صورت غیر قابل استحصال در بیاید ]8[.
از طرف دیگر مطالعه­ی کشش سطحی در فرآیندهای ازدیاد برداشت به روش سیلاب زنی با حلال اهمیت ویژه­ای می­یابد. یک حلال می تواند با تزریق به مخزن نفت را جا­به­جا کند. این تزریق می­تواند سبب جابجایی امتزاج پذیر (تک فازی) یا امتزاج ناپذیر (دو فازی) گردد ]7[.
مکانیزم های موثر در جا­به­جایی نفت به وسیله حلال عبارتند:
استخراج اجزای سبک[1](و حتی متوسط) نفت به وسیله­ی سیال
کاهش کشش سطحی بین حلال و نفت و کاهش ویسکوزیته نفت از طریق حل شدن حلال در نفت[2]

  1. متورم شدن نفت از طریق نفوذ حلال درون نفت[3]

از بین روش­های موجود برای اندازه­گیری کشش سطحی، روش قطره معلق[4]، در دما و فشار بالا کاربرد بیشتری یافته است.
در این تحقیق، با استفاده از داده ­های آزمایشگاهی کشش سطحی تعادلی و دینامیک، برای سیستم­های گاز- نرمال پارافین، دو نوع مدل انتقال جرمی مختلف بر روی سیستم قطره­ی معلق بررسی، و روشی که نتایج آن منطبق بر نتایج آزمایشگاهی می­شود به عنوان مدل اصلی انتقال جرم معرفی ­گردید. همین طور نحوه­ی تاثیر دما، فشار، زمان و نوع مواد شرکت کننده در فرآیند، روی پروسه­ی انتقال جرم تعیین گردید.

فصل دوم

 
 
2- مبانی تحقیق
 
 
در این فصل و فصل بعدی، توضیحاتی در مورد واژه­های کلیدی موجود در عنوان پایان نامه داده خواهد شد. در ابتدا به تعریف کشش سطحی و روش­های اندازه گیری آن می­پردازیم.
 
 
2-1- کشش سطحی تعادلی و روش­های اندازه گیری آن
 
در درون یک فاز مایع، مولکول­ها به طور کامل توسط مولکول­های دیگر محاط می­شوند، به طوری که نیروی جذب در همه­ی جهت­ها یکسان است. اما در مرز، نیروهای بین مولکولی از یک جنس نیستند و در نتیجه همدیگر را خنثی نمی­کنند.این بر هم کنش سبب به وجود آمدن نیرویی به سمت داخل می­گردد. این پدیده دقیقا همان عاملی است که سبب می­گردد قطرات کوچک، شکل کروی به خود بگیرند. بنابراین می­توان گفت کشش سطحی[5] عبارت است از تمایل سطح به انقباض، برای حداقل کردن مساحت بین سطحی ]9[.
از نظر فیزیکی، برای کشیدن یک فیلم صابون روی یک قاب سیمی شکل، بایستی نیرویی به اندازه­ی F وارد شود تا از پارگی فیلم جلوگیری گردد. اگر فیلم به اندازه­ی dx جابجا شود، انرژی  آن به اندازه­ی Fdx بالا می­رود. اگر سیستم در حالت تعادل باشد، این تغییر انرژی بایستی دقیقا برابر با انرژی آزاد سطح گردد، یا به عبارتی
معادله (2-1) را می­­توان به صورت زیر ساده نمود
این عبارت دقیقا معادل با کاری است که بایستی انجام شود تا مساحت سطح مایع را افزایش دهد و باعث شود سطح مایع، مانند یک پوست کشیده شده عمل کند که در اصطلاح علمی به آن کشش سطحی گفته می­شود
هر چند در صنایع نفت و گاز کاهش کشش سطحی بین نفت خام و سیال تزریقی باعث افزایش تولید می­گردد، اما در مواردی مانند صنعت روغن خوراکی تلاش­ها برای افزایش کشش سطحی صورت می­گیرد تا با جذب کمتر این مواد، ضرر کمتری متوجه بدن گردد ]11[.
در چند دهه­ی گذشته روش­های مختلفی برای اندازه­گیری کشش سطحی بین مواد مختلف ارائه شده است. درلیخ و همکارانش، روش­های اندازه­گیری کشش سطحی را به پنج دسته­ی کلی تقسیم بندی کردند که عبارتند از:
اندازه­گیری مستقیم با استفاده از یک میکروبالانس که شامل روش صفحه­ی ویلهلمی[1]وحلقه­ی دوندیا[2] می­باشد.
اندازه­گیری فشار موئینه که شامل روش­های بیشترین فشار حباب[3] و رشد قطره[4] می­باشد.
آنالیز تعادل بین نیروهای گرانش و موئینه شامل روش­های حجم قطره[5] و بالا رفتن در لوله­ی موئین[6].
آنالیز قطره­های منحرف شده بر اثر گرانش شامل قطره معلق[7] و قطره چسبیده[8].
روش انحراف قطره تقویت شده شامل روش چرخش قطره[9] و میکروپیپت [10] ]6[.
 
 
2-1-1- دسته­ی اول: اندازه گیری با استفاده از یک میکروبالانس
 
برای اندازه­گیری مستقیم کشش سطحی با استفاده از یک میکروبالانس، یک صفحه، حلقه، یا هر وسیله­ی ساده­ی دیگر، در تماس با مرز دو سیال قرار می­گیرد. اگر میکروبالانس به طور کامل با یکی از این سیالات تر شده باشد، مایع به وسیله می­چسبد و در نتیجه­ی نیروی مویینگی از آن بالا می­رود و باعث افزایش مساحت مرزی شده و نیرویی ایجاد می­ نماید که سعی می­کند صفحه را به طرف مرز بکشد. این نیرو مستقیما با کشش سطحی ارتباط پیدا می­کند و می­تواند به وسیله­ی میکروبالانس اندازه­گیری شود. این نیرو به صورت معادله­ی (3-1) در کشش سطحی تاثیر می­گذارد.


تعداد صفحه : 118
قیمت : 14700تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***