جدول ۳- ۲ برخی از خواص فیزیکی نمونه­های نفت خام مورد استفاده در این تحقیق ……………………………۴۰
) موجود در نمونه­های نفت خام ……….۴۰
جدول ۳- ۴ مواد شیمیایی مصرفی در این تحقیق ۴۱
جدول ۳- ۵ توان سرمایش و گرمایش چیلرهای استفاده شده ۴۵
جدول ۳- ۶ جدول عوامل عملیاتی و سطوح انتخاب شده آنها جهت طراحی آزمایش­ها ۵۴
تاگوچی بر اساس متغیرهای کدی ۵۵
تاگوچی……………………………….۶۰
جدول ۴- ۲ جدول ANOVA مربوط به داده ­های تغییر یافته ۶۲
جدول ۴- ۳ درصد جرمی آسفالتن (غیر قابل حل در نرمال هپتان) موجود در رسوب خط لوله ۷۰
جدول ۴- ۴ عوامل عملیاتی و سطوح انتخاب شده آنها در آزمایش­های ماندگی رسوب ۷۱
جدول ۴- ۵ خواص تبلور نمونه­های نفت و واکس مربوط به آزمون DSC 77

پیشگفتار
رسوب واکس هنگامی رخ می‌دهد که دمای محیط مخلوط نفت خام به دمایی پایین‌تر از دمای ابری شدن برسد که منجر به ظهور بلور‌های واکس در نفت خام و رسوب آن‌ها بر دیواره داخلی لوله می‌گردد. تخریب سازند مخزن، انسداد دهانه چاه و خطوط لوله جریان، آسیب رساندن به تجهیزات فرآیندی مانند جداکننده ها و مبدل‌های حرارتی از جمله مشکلات ایجاد شده ناشی از رسوب واکس هستند. این مشکلات در خطوط لوله انتقال نفت خام منجر به افزایش افت فشار، انسداد خط لوله، افزایش مصرف انرژی و به طور کلی قطع فرایند می­گردد. رسوب واکس مشکلی بسیار پیچیده در صنعت نفت به سبب تغییرات زیاد در خواص نفت­خام های مختلف می­باشد. در سال­های اخیر با توجه به اتمام منابع ساحلی، تولید نفت­خام در ناحیه­هایی با شرایط آب و هوایی سخت و متنوع و در اعماق دریا­ها صورت می­گیرد. بنابراین تحقیقات بیشتر به منظور بهبود پیش بینی وقوع رسوب واکس، درجه رسوب و ماهیت رسوب از نفت خام در شرایط عملیاتی مختلف ضروری است. بررسی اثر عوامل عملیاتی مختلف بر فرایند رسوب واکس در خط لوله به منظور کاهش مقدار جرم واکس رسوبی با انجام آزمایش­های تجربی بر اساس طراحی آزمایش­ها به روش تاگوچی از اهداف اصلی این تحقیق می­باشد. این روش از توانایی­های بالایی در تحلیل نتایج برخوردار است. مزیت این روش مطالعه همزمان اثر عوامل به طور کمی و با در نظر گرفتن اثر دیگر عوامل می­باشد. این روش همچنین امکان مقایسه اثر عوامل مختلف و دستیابی به حالت بهینه برای هر عامل که در تحقیقات آزمایشگاهی بسیار با اهمیت است را فراهم می­نماید. خواص رسوب واکس با زمان تغییر می­ کند و رسوب واکس متحمل پدیده ماندگی می‌شود. از اهداف این تحقیق بررسی تجربی پدیده ماندگی رسوب واکس تشکیل شده در مسیر خط لوله می­باشد.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

این تحقیق شامل پنج فصل است. در فصل اول مروری بر مفاهیم و تعاریف اولیه مربوط به نفت خام، نقطه ابری شدن، نقطه ریزش و روش­های تعیین این نقاط، رسوب واکس (شکل­ گیری، خواص فیزیکی و روش­های زدایش) آورده شده است. در فصل دوم مطالعه پدیده رسوب واکس به منظور شناسایی مکانیسم­ها و عوامل عملیاتی تأثیرگذار بر فرایند رسوب در خط لوله و مطالعه روی سامانه­های آزمایشگاهی بررسی رسوب واکس به منظور انتخاب و طراحی سامانه آزمایشگاهی برتر که از بین منابع قابل دسترس انجام شده است. شرح ساخت سامانه آزمایشگاهی حلقه جریانی برای مطالعه پدیده رسوب در خطوط انتقال نفت، مواد، دستگاه­ها، طراحی آزمایش­ها و روش انجام آزمایش­ها در فصل سوم این گزارش آورده شده است. تحلیل نتایج بدست آمده از آزمایش­های انجام شده در بخش طراحی آزمایش­های تاگوچی و تعیین اثر عوامل مهم و مقایسه اثر عوامل با یکدیگر، همین طور بررسی فرایند سخت شدن رسوب با مقایسه منحنی­های آزمون دستگاهی گرماسنجی روبشی تفاضلی در فصل چهارم انجام شده است. نتیجه ­گیری کلی از این پایان نامه به همراه پیشنهادها برای مطالعات بعدی در فصل پنجم گنجانده شده است.
فصل اول
کلیات و تعاریف
نفت­خام مخلوط پیچیده­ای از هیدروکربن­ها شامل ترکیبات متفاوت از قبیل آلکان­ها،آروماتیک­ها، نفتن­ها، رزین ها تا واکس­ها و آسفالتن­ها با وزن ملکولی بالا را شامل می­ شود. در میان این گروه از هیدروکربن‌ها پارافین‌ها با جرم ملکولی بالا (واکس­ها ) و آسفالتن‌ها سبب به‌وجود آمدن مشکلاتی در حین انتقال و ذخیره نفت خام می‌شوند. اگر نفت خام حاوی جز بالایی ا ز پارافین‌ها یا واکس ها باشد، نفت واکسی یا بر پایه پارافین نامیده می‌شود در حالی‌که اگر نفت مقدار قابل توجهی آسفالتن‌ داشته باشد، نفت آسفالتنی نامیده می­ شود (Singh, 1999). تجهیزات تولیدی و خطوط لوله زیر دریا به سبب کاهش دما مستعد رسوب واکس^[۱] و به سبب کاهش فشار محیطی مستعد رسوب آسفالتن‌ هستند(Yang & Qiang, 2010).
واکس های پارافینی دارای وزن ملکولی بالایی هستند و در شرایط دما و فشار بالای مخزن محلول در نفت خام هستند. اما شرایط مخزن در حین استخراج نفت خام تغییر می­­کند که در نتیجه آن واکس پارافینی جامد شده و در مخزن و دهانه چاه رسوب می­ کند. همچنین در خطوط لوله تولید هنگامی‌که دمای دیواره لوله کمتر از دمای ظهور واکس^[۲] باشد، رسوب واکس شکل می­گیرد Chen et al., 1997)).
دمای ابری شدن^[۳]
بالاترین دمایی که اولین بلور واکس نفت خام تحت سرمایش شکل می‌گیرد را دمای ابری شدن یا دمای ظهور واکس می‌نامند. دمای ابری شدن یک خاصیت ضروری در تعیین گرایش نفت خام در تشکیل فاز جامد واکس^[۴] و رسوب واکس ^[۵] می‌باشد. سیستم‌هایی که نفت خام آن‌ها دارای دمای ابری شدن پایین باشد تمایل کمی به تشکیل فاز جامد دارند و سیستم‌های دارای دمای ابری شدن بالا مستعد تشکیل رسوب هستند. مادامیکه دمای دیواره لوله بالاتر از دمای ظهور واکس باشد، هیچ رسوب واکس جامدی روی دیواره لوله رخ نخواهد داد. عواملی که در جهت افزایش دمای ابری شدن می‌‌شوند، سبب افزایش رسوب واکس جامد نیز می‌گردند (Bidmus, 2009). دمای سطح مشترک نفت- رسوب واکس به تدریج در شرایط تعادل گرمایی به دمای ابری شدن می‌رسد (Singh et al., 2000; Bidmus & Mehrotra, 2004).
دمای نقطه ریزش^[۶]
کمترین دمایی است که نفت خام یا مخلوط واکسی با کج شدن بطری افقی حاوی آن جریان می‌یابد یا حالت جریانی دارد و از خواص مهم نفت‌های خام حاوی واکس می باشد. مانند دمای ابری شدن، دمای نقطه ریزش نیز وابسته به مقدار واکس پارافینی موجود در نفت دارد و به شدت تحت تأثیر خواص جریانی نفت خام دارد. PPT دمایی است که ساختار شبکه‌ای ژل در نتیجه تبلور بلور‌های واکس از نفت خام شکل می‌گیرد و سبب می‌شود که ویسکوزیته و خواص جریانی نفت به طرز چشمگیری افزایش یابد. دمای نقطه ریزش می‌تواند توسط سرمایش نمونه در هر مرحله به میزان Cْ ۱ و تعیین پایین‌ترین دمایی که هر حرکتی از نمونه مایع مشاهده شود تعیین گردد (Bhat, 2008 Fong, 2007;).
به منظور جریان یافتن سیال در محیطی با دمای سیال بالاتر از نقطه ریزش هیچ استراتژی نقطه ریزشی در خطوط لوله نیاز نیست. در محیطی که دمای سیال یا محیط پایین‌تر یا مساوی با نقطه ریزش باشد، استراتژی مخصوص نقطه ریزش برای برقراری توانایی جریان یافتن سیال نیاز است. دمای محیط عامل مهمی در تعیین لزوم در نظر گرفتن استراتژی نقطه ریزش می­باشد. در ۱۰۰ سال اخیر آنالیز دمای محیط انجام می‌شد و حد نهایی کمترین دمای بستر دریا یا اقیانوس در طول مسیر خط لوله مورد استفاده قرار می‌گرفت. دمای نقطه ریزش با بهره گرفتن از روش آزمون استاندارد (ASTM) قابل اندازه‌گیری است و با بهره گرفتن از روابط داده های کروماتوگرافی گازی دما بالا^[۷] تخمین زده می‌شود(Yang & Qiang, 2010).
رسوب واکس
صنعت نفت با مشکل رسوب واکس در تمام بخش‌ها شامل بخش تولید و یا انتقال در خطوط لوله تا تحویل به صنایع پایین دستی دست به گریبان است. رسوب واکس هنگامی رخ می‌دهد که دمای محیط مخلوط نفت خام به دمایی پایین‌تر از دمای ابری شدن برسد که منجر به ظهور بلور‌های واکس و رسوب آن‌ها روی سطح انتقال حرارت ( دیواره داخلی لوله) می‌گردد. رسوب واکس می‌تواند سبب ایجاد مشکلاتی در تمام مراحل فرآیندی نفت گردد. خرابی مخزن و یا انسداد دهانه چاه و خطوط لوله جریان، آسیب رساندن به تجهیزات فرآیندی مانند جداکننده ها و مبدل‌های انتقال حرارت از جمله مشکلات ایجاد شده توسط رسوب واکس هستند. این مشکلات می تواند منجر به افزایش افت فشار، انسداد خط لوله، افزایش مصرف انرژی و به طور کلی قطع فرایند گردد. تحقیقات زیادی به منظور دستیابی به دانش دقیقی از این فرایند انجام شده است. در کل دما و انتقال حرارت عامل اصلی در فرایند رسوب شناخته شده‌اند.
تفاوت تشکیل فاز جامد واکس و رسوب واکس
منظور از تشکیل فاز جامد واکس ایجاد یک فاز جامد در کنار یک فاز مایع یا گاز است. به عنوان مثال زمانی که دمای سیال نفتی به پایین­تر از دمای ابری شدن خود می­رسد، بلورهای واکس (فاز جامد) شروع به تشکیل در نفت (فاز مایع) می­ کنند که به آن تشکیل فاز جامد واکس می­گویند. تشکیل بلورهای واکس پدیده­ای ترمودینامیکی است. تاکنون مدل­های زیادی برای پیش ­بینی آن ارائه شده است.
منظور از رسوب واکس ایجاد فاز جامد در کنار یک فاز جامد دیگر (مثل دیواره لوله یا ظرف) است. زمانی­ که رسوب جامد واکس در روی دیواره لوله (فاز جامد) تشکیل می­ شود پدیده رسوب واکس داریم که پدیده­ای دینامیکی و ترمودینامیکی است. بنابراین شرط لازم برای ایجاد رسوب واکس در خطوط لوله در ابتدا تشکیل فاز جامد ذرات واکس روی دیواره لوله است که بدین منظور لازم است که دمای دیواره کمتر از دمای ابری شدن نفت داخل لوله باشد. اما این شرط برای رسوب واکس کافی نیست و شرط کافی برای آن سخت شدن رسوب اولیه ایجاد شده روی دیواره لوله (ایجاد یک فاز جامد سخت) است که با حرکت نفت در لوله و شار انتقال جرم از بالک مایع به سمت رسوب اولیه ایجاد می­ شود.
واکس پارافینی
نفت خام پالایش نشده بزرگترین منبع واکس پارافینی می‌باشد. واکس های پارافینی مخلوطی از نرمال آلکان ها با عدد کربنی بین ۱۸ تا ۶۵ و حتی بیشتر هستند. یکی از مشخصات اصلی نرمال آلکان‌های با وزن ملکولی بالا حلالیت پایین در پارافین‌ها، آروماتیک‌ها، نفتن‌ها و دیگر حلال‌های نفتی در دمای اتاق می‌باشد (Fong, 2007).
واکس های نفت خام می‌توانند به ماکروکریستالین یا پارافینی و میکروکریستالین طبقه بندی شوند. اساس ماکروکریستالین واکس را ترکیبات نرمال‌آلکان‌ها با عدد کربن متغیر بین ۲۰ تا ۴۰ تشکیل می‌دهند و اساس میکرو کریستالین واکس را ایزو پارافین‌ها ( آلکان‌های شاخه دار ) و نفتن­ها ( سیکلو آلکان­ها) تشکیل می دهند (Elsharkawy et al., 2000; Srivastava et al., 1993). ایزو آلکان‌ها مانند نرمال‌آلکان‌ها با یکدیگر می‌پیوندند و به صورت جامد از نفت های خام جدا می‌شوند. ایزو آلکان­ها به‌دلیل زنجیرهای شاخه‌دار مستعد به تاخیر انداختن تشکیل رسوب هستند و تولید واکس جامد ناپایدار می‌کنند. نفتن‌ها نیز متمایل به تخریب فرایند هسته زایی واکس در حین تشکیل رسوب هستند (Hammami & Raines, Paraffin Deposition from Crude Oils. Comparison of Laboratory Results with Field Data, 1999).
خواص فیزیکی و گرمایی
پارافین‌ها یا نرمال‌آلکان‌ها متعلق به ترکیبات همرده‌ای هستند که هر عضو متوالی از این سری با عضو گروه بعدی با یک گروه CH₂ متمایز می‌گردد. پارافین‌ها تقریباً بی‌اثر هستند و واکنش‌پذیری کمی با اکثریت واکنش‌دهنده های شیمیایی دارند. دانسیته پارافین‌ها کمتر از دانسیته آب است و پیوند کووالانسی بین آن‌ها ضعیف است. پیوند‌های کووالانسی و نیروی واندروالس بین گروه متیل و متیلن منجر به نیروی جاذبه بین زنجیره‌های پارافین‌ می­گردد (Morrison & Boyd, 1992).
استحکام واکس ها از حالت ژله‌ای نفتی با نقطه ذوبی نزدیک دمای اتاق تا واکس سفت با نقطه ذوبی بالاتر ازC 100ْ تغییر می­ کند. دانسیته واکس حدود ۸/۰ و گرمای ویژه آن حدود ۱۴/۰ می‌باشد(Yang & Qiang, 2010). در جدول ۱-۱ مشخصات شیمیایی و خواص فیزیکی تعدادی از نرمال آلکان­ها و در شکل ۱-۱ ساختار کلی پارافین­های موجود در نفت خام نشان داده شده است.
متان، اتان و پروپان در دما و فشار محیط به صورت گاز هستند در حالی‌که C₅ تا C₁₇ مایع هستند و نرمال‌آلکان‌های بزرگتر جامد هستند. دانسیته، نقطه ذوب و نقطه جوش این هیدروکربن­ها با افزایش تعداد کربن به صورت غیر خطی زیاد می‌شود. دانسیته عضوهای متوالی این سری از هیدروکربن­ها در ابتدا به سرعت افزایش می­یابد و در نهایت در حدود ۸۰۰ قرار می‌گیرد. نرخ افزایش نقطه ذوب و نقطه جوش این هیدروکربن­ها نیز در ابتدای سری بسیار بیشتر از ادامه سری می‌باشد که این موضوع در تقطیر منجر به جداسازی بسیار آسان نرمال‌آلکان‌های سبک نسبت به اجزای سنگین می‌شود (Bidmus & Mehrotra, 2009). آلکان‌های شاخه‌دار به‌دلیل ساختار پیچیده­تر و کاهش سطح رفتار مشابهی را نشان نمی‌دهند و معمولاً دمای ذوب و جوش آن‌ها نسبت به آلکان‌های متناظر خود کمتر می‌باشد (Fong, 2007).
سیکلو آلکان­ها (نفتن­ها)
ایزو آلکان­ها
نرمال آلکان­ها
شکل ۱- ۱ ساختار کلی پارافین‌های موجود در نفت‌ها (Hunt, 1996)
جدول۱- ۱ خواص فیزیکی تعدادی از نرمال‌آلکان‌ها (Barton and Ollis, 1979)