شکل ‏۱‑۶ : ساختار II 16
شکل ‏۱‑۷ : ساختار H 16
شکل ‏۱‑۸ : ساختارهای مختلف هیدرات گازی ۱۷
شکل ‏۱‑۹ : مقایسه اندازه مولکول‌های مهمان، نوع هیدرات و حفره‌های اشغال شده ۱۸
شکل ‏۱‑۱۰: دستگاه‌های تولید هیدرات گاز طبیعی ۲۲
شکل ‏۱‑۱۱: دستگاه‌های تجزیه هیدرات ۲۲
شکل ‏۱‑۱۲ : منحنی وابستگی هیدرات به دما و فشار ۲۴
شکل ‏۱‑۱۳ : انواع افزودنی‌های هیدرات ۲۷
شکل ‏۱‑۱۴ : مکانسیم بازدارندگی از تشکیل هیدرات ۳۰
شکل ‏۱‑۱۵ : ساختار هیدرات به وجود آمده با تترا هیدرو فوران ۳۰
شکل ‏۲‑۱ : هزینه انتقال گاز در فواصل مختلف با روش‌های مختلف ۴۱
شکل ‏۲‑۲: نمودار فازی برای برخی از هیدروکربن گاز طبیعی ساده که هیدرات تشکیل می دهند ۴۴

شکل ‏۲‑۳ : نمودار هیدرات برای سه مخلوط مورد بررسی ویلکاکس و همکاران ۴۶
شکل ‏۳‑۱ : فرایند ساده شده یک واحد نم‌زدایی از طریق گلایکول ۵۷
شکل ‏۳‑۲ : فرایند ساده شده یک واحد خشک کن جامد به همراه دو برج ۵۸
شکل ‏۳‑۳ : فرایند جریان ساده شده برای یک واحد تبرید به همراه تزریق گلایکول ۶۰
شکل ‏۳‑۴ : شمای کلی تغییرات دما در فاز مایع و کریستال هیدرات ۶۱
شکل ‏۳‑۵ : پروفایل غلظت در مسیر نفوذ گاز تا رسیدن به سطح هیدرات ۶۲
شکل ‏۳‑۶ : شماتیک مدل ارائه شده در حال تشکیل هیدرات ۶۶
شکل ‏۳‑۷ : شماتیک مکانیزم پیشنهادی تشکیل هیدرات از یک قطره آب ۶۶
شکل ‏۳‑۸ : شماتیکی از مدل لوله به همراه شرایط مرزی ۷۸
شکل ‏۳‑۹ : شماتیکی از مش بندی شبکه لوله ۸۲
شکل ‏۳‑۱۰ : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده خطی ۸۳
شکل ‏۳‑۱۱ : همگرایی شبیه سازی توسط حل کننده غیر خطی ۸۳
شکل ‏۳‑۱۲ : گرافیک جریان‌های عبوری و ته نشین شدن ذرات هیدرات ۸۳
شکل ‏۳‑۱۳ : شماتیک فرایند انتقال گاز در یک شبکه گاز ۸۴
شکل ‏۳‑۱۴ : نتایج اجرای شبیه سازی شبکه گاز با بهره گرفتن از نرم افزار PipePhase 87
شکل ‏۴‑۱ : فرایند هم فشار و هم دما برای تشکیل هیدرات ۹۷
شکل ‏۴‑۲ : پروفایل غلظت پیشنهادی مولکول‌های گاز در فرایند تشکیل هیدرات ۹۸
شکل ‏۴‑۳ : گرافیک و الگوی جریان ته نشین شدن ذرات جامد (هیدرات) در کف لوله ۱۰۴
شکل ‏۴‑۴ : گرافیک و مقادیری از کسر حجمی فاز جامد دیسپرس شده ۱۰۵
شکل ‏۴‑۵ : گرافیک پروفایل سرعت و جهت آن درون لوله ۱۰۵
شکل ‏۴‑۶ : گرافیک پروفایل فشار و میزان آن در نقاطی از لوله ۱۰۶
شکل ‏۴‑۷ : گرافیک پروفایل فشار در کل مخلوط و میزان آن در نقاطی از لوله ۱۰۶
شکل ‏۴‑۸ : گرافیک پروفایل دما درون لوله ۱۰۶
شکل ‏۴‑۹ : گرافیک پروفایل غلظت فاز پراکنده درون لوله ۱۰۷
شکل ‏۴‑۱۰ : گرافیک پروفایل سرعت لغزش مخلوط درون لوله ۱۰۷
شکل ‏۴‑۱۱ : مقاطع انتخاب شده برای بررسی پارامترهای مختلف ۱۰۸
چکیده :
امروزه یکی از معضلات در خطوط انتقال گاز، پدیده هیدرات گازی است که ترکیبی از گازهای سبک مثل متان، اتان یا دی اکسید کربن با مولکول‌های آب تحت شرایط خاص دمایی و فشاری ماده‌ای شبیه به یخ را تشکیل می‌دهد که حجم زیادی از گاز را در خود جای داده است. هیدارت های گازی عموماً ته نشین شده و در نهایت توان عملیاتی خط را کاهش داده یا حتی به انسداد کلی خط لوله منجر می شود. بررسی پارامترها، متغییرها و عوامل تأثیر گذار تشکیل و حذف پدیده بسیار حائز اهمیت می باشد که در این پژوهش ابتدا مورد تجزیه‌ و تحلیل قرار‌ گرفته و سپسس سه وضعیت قبل، بعد و حین تشکیل هیدرات بررسی شده است.‌ در ‌قبل، نگاهی به روش‌ها، فرایند‌ها، مزایا و معایب واحدهای نم‌زدایی گاز شده است. مقاومت‌های انتقال جرم و حرارت در حین پیدایش نیز بررسی کامل شد و نشان داد که نرخ تشکیل هیدرات توسط مکانیسم انتقال جرم کنترل شده و هر‌چه انتقال حرارت سریعتر انجام گیرد هیدرات تشکیل شده پایدارتر است. سپس با یک مدلسازی میدان توزیع سرعت، فشار، دما، کسرحجمی برای سیال و همچنین توزیع غلظت ذرات جامد در یک جریان آرام دو فاز گاز‌- جامد در داخل یک لوله افقی، توسط بسته نرم‌افزاری کامسول(COMSOL Multiphysics) شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان میدهد که کاهش سرعت متوسط منجر به کاهش نیروهای پراکنده کننده شده و نهایتاً غلظت بیشتر ذرات جامد در کف لوله را سبب می‌شود.
واژه‌های کلیدی: هیدرات گازی، نم‌زدایی گاز، مدلسازی و شبیه سازی هیدرات
پیشگفتار
گاز طبیعی منبع انرژی تقریباً پاکیزه، فراوان و ارزان قیمتی است که هم اکنون نیز به مقیاس وسیع برای مصارف صنعتی و خانگی به کار رفته و در طی دهه‌ های آینده بهره‌برداری از آن گسترش خواهد یافت. در توسعه اقتصادی جهان، مناطق و کشورهای مختلف، به دلیل منابع و ذخایر عظیم در دسترس و توسعه تکنولوژی‌های خلاق، باعث کاهش هزینه‌ها و زمان اجرای پروژه‌ها و در نتیجه بهبود اقتصاد پروژه‌های توسعه و انتقال گاز شده است. همچنین تلاش جهانی برای کاهش گازهای گلخانه‌ای و گاز CO₂ مزیت استفاده از گاز طبیعی در مقایسه با سایر سوخت‌ها را نشان می‌دهد.
امروزه در خطوط انتقال گاز پدیده هیدرات گازی که ترکیبی از گازهای سبک مثل متان، اتان یا دی‌اکسیدکربن است که تحت یک شرایط خاص دمایی و فشاری با مولکول‌های آب ترکیب شده و ماده‌ای شبیه به یخ را تشکیل می‌دهد، که حجم زیادی از گاز را در خود جای داده است. هیدرات های گازی ته نشین شده در نهایت توان عملیاتی ممکن را کاهش داده یا حتی به انسداد کلی خط لوله منجر می شود. بررسی پارامترها، متغییرها و عوامل تأثیر گذار تشکیل و حذف پدیده بسیار حائز اهمیت می باشید. این پژوهش در سه بخش قبل، هنگام تشکیل و بعد از تشکیل هیدرات تقسیم شده است تا بتواند همه پارامترها را بررسی کند. هنگام پیدایش به دو بخش: مقاومت های حین شروع پدیده و پیدایش مستمر پدیده نگاهی جامع داشته است. بررسی مقاومت های انتقال حرارت و جرم حین شروع، مدلسازی قطاعی از لوله درحال تشکیل هیدرات و شبیه سازی یک شبکه گازرسانی توانست نتایجی کاملی از پدیده هنگام تشکیل به ما ارائه کند. انتخاب بازدارنده مناسب با ساختارهای نمک و گلایکولی نیز بررسی گردیده است.
فصل اول
هیدرات گازی و عوامل مؤثر در آن‌
هیدرات
هیدرات‌های گازی ترکیبات جامد کریستالی هستند که جزء خانواده اندرون گیر‌ها یا کلاترات^[۱] به حساب می‌آیند. اندرون گیر یک ترکیب ساده است که یک مولکول از ماده‌ای (مولکول مهمان^[۲]) در شبکه ساخته شده از مولکول ماده‌ای دیگر (مولکول میزبان^[۳]) به دام می‌افتد. اندرون گیر مربوط به آب، هیدرات نامیده می‌شود. در ساختمان آنها مولکول‌های آب به علت داشتن پیوند هیدروژنی با به وجود آوردن حفره‌هایی تشکیل ساختار شبه شبکه‌ای می‌دهند. این شبکه که ناپایدار است به عنوان شبکه خالی هیدرات شناخته می‌شود که در دما و فشار خاص (در دمای پایین و فشار بالا) با حضور اجزاء گازی مختلف با اندازه و شکل مناسب، می‌تواند به یک ساختار پایدار تبدیل شود. در این نوع از کریستال‌ها، هیچ نوع پیوند شیمیایی بین مولکول‌های آب و مولکول‌های گاز محبوس شده تشکیل نمی‌شود و تنها عامل پایداری کریستال‌ها به وجود آمدن پیوند هیدروژنی بین مولکول‌های میزبان (مولکول‌های آب) و نیروی واندروالسی است که بین مولکول‌های میزبان و مولکول‌های مهمان (مولکول‌های گاز) به وجود می‌آید]۱-۳[.