1-3-2-4- بوکسيت فعال11
1-3-2-5- غربال مولکولي12
1-2- فرآيندهاي غشائي16
1-2-1- معرفي تکنولوژي غشاء16
1-2-2- مکانيسم جداسازي غشائي17
1-2-3- تقسيم بندي غشاءها18
1-2-3-1- تقسيم بندي بر اساس جنس غشاء18
1-2-3-2- تقسيم بندي بر اساس ساختار غشاء22
1-2-3-3- تقسيم بندي براساس شکل هندسي غشاء23
فصل دوم: مروري بر تحقيقات گذشته 28
2-1- تاريخچه استفاده از روشهاي متداول براي رطوبت زدايي از گاز با استفاده از مايعات جاذب28
2-2- تاريخچه استفاده از غشاي الياف تو خالي براي رطوبت زدايي از گاز30
فصل سوم: روش انجام کار33
3-1- روش انجام آزمايشات33
3-1-1- مايع جاذب رطوبت33
3-1-2- آزمايشات35
3-1-2-1- شرح واحد آزمايشگاهي رطوبتزدايي از هوا35
3-1-2-2- شرح انجام آزمايش42
3-1-3- استخراج نتايج44
3-2- روش شبيه سازي با استفاده از نرم افزار COMSOL45
3-2-1- معادلات حاکم47
3-2-1-1- معادلات غلظت در درون الياف غشائي (فاز مايع)48
3-2-1-2- معادلات غلظت در غشاء50
3-2-1-3- معادلات غلظت در پوسته (فاز گاز)50
3-2-2- حلاليت بخار آب در محلول تري اتيلن گلايکول52
3-2-3- ضرايب نفوذ آب55
3-2-3-1- ضريب نفوذ آب در هوا55
3-2-3-2- ضريب نفوذ آب در محلول تري اتيلن گلايکول55
3-2-3-3- ضريب نفوذ آب در غشاء در حالت کاملاً خشک56
3-2-3-4- ضريب نفوذ آب در غشاء در حالت تر شوندگي کامل57
3-2-4- حل عددي معادلات شبيه سازي58
3-3- روش مدل سازي با استفاده فرض پلاگ59
3-3-1- معادلات حاکم59
3-3-1-1- معادله غلظت در درون الياف غشائي (فاز مايع)59
3-3-1-2- معادلات غلظت در غشاء61
3-3-1-3- معادلات غلظت در پوسته (فاز گاز)61
3-3-2- حل عددي معادلات62
فصل چهارم: بحث و نتايج65
4-1- معرفي پارامترهاي مورد بررسي در فرآيند جذب بخارات آب و بررسي تأثير آنها66
4-1-1- تأثير درصد رطوبت نسبي هواي ورودي66
4-1-1-1- اثر درصد رطوبت نسبي هواي ورودي بر بازده حذف بخارات آب و دماي نقطه شبنم هواي خروجي66
4-1-1-2- اثر درصد رطوبت نسبي هواي ورودي بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب69
4-1-2- تأثير دبي جريان هوا71
4-1-2-1- اثر دبي جريان هوا بر بازده حذف بخارات آب و دماي نقطه شبنم هواي خروجي71
4-1-2-2- اثر دبي جريان هوا بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب73
4-1-3- تأثير دبي جريان مايع75
4-1-3-1- اثر دبي جريان مايع بر بازده حذف بخارات آب و دماي نقطه شبنم هواي خروجي75
4-1-3-2- اثر دبي جريان هوا بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب76
4-1-4- تأثير غلظت تري اتيلن گلايکول78
4-1-4-1- اثر غلظت تري اتيلن گلايکول بر بازده حذف بخارات آب و دماي نقطه شبنم هواي خروجي78
4-1-4-2- اثر غلظت تري اتيلن گلايکول بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب80
4-1-5- تأثير جهت جريان81
4-1-5-1- اثر جهت جريان بر بازده حذف بخارات آب82
4-1-5-2- اثر جهت جريان بر دماي نقطه شبنم هواي خروجي83
فصل پنجم: نتيجهگيري و پيشنهادات85
5-1- نتيجه گيري85
5-2- پيشنهادات86
فهرست جدول ها
عنوان صفحه
جدول 1- 1: مشخصات انواع گلايکول ها6
جدول 1- 2: مقايسه ظرفيت جذب انواع مواد خشک کننده در برابر هواي مرطوب11
جدول 1- 3: خواص انواع غربال هاي مولکولي14
جدول 1- 4: خواص فيزيکي انواع مواد خشک کننده تجاري15
جدول 1- 5: مقايسه انواع مختلفي از غشاءها23
جدول 3- 1: ويژگيهاي تري اتيلن گلايکول شرکت فرسا شيمي34
جدول 3- 2: چگالي و لزجت تري اتيلن گلايکول در دماي اتاق34
جدول 3- 3: مشخصات تماس دهندههاي غشائي39
جدول 3- 4: ضرايب رابطه ناکانيشي براي محاسبه ضريب نفوذ در مايعات56
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1- 1: گازهاي سريع و کند بر اساس مقاومت در برابر حرکتشان17
شکل 1- 2: عملکرد غشاء مايع19
شکل 1- 3: غشاء سراميکي21
شکل 1- 4: غشاء فلزي22
شکل 1- 5: نمونه اي از مدولهاي غشائي24
شکل 1- 6: نمائي از ماژول غشاي الياف تو خالي26
شکل 3- 1: شماتيک فرآيندي رطوبت زدايي از گاز با استفاده از محلول تري اتيلن گلايکول، در تماس دهنده غشاي الياف توخالي36
شکل 3- 2: کمپرسور هوا37
شکل 3- 3: مرطوب ساز37
شکل 3- 4: (a) ماژول شماره 1 (b) ماژول شماره 239
شکل 3- 5: رطوبت سنج ديجيتالي مدل TH-30040
شکل 3- 6: پمپ گردش سيال جاذب41
شکل 3- 7: خطي سازي نمودار دبي تري اتيلن گلايکول در مقابل دور موتور41
شکل 3- 8: روند به حالت پايا رسيدن سيستم43
شکل 3- 9: جريان موازي در تماس دهنده غشائي الياف توخالي46
شکل 3- 10: (1) حالت تر شوندگي کامل غشاء (2) حالت کاملاً خشک غشاء46
شکل 3- 11: سطح مقطع تماس دهنده غشائي الياف توخالي و تقريب به صورت سطح مقطع دايره اي شکل47
شکل 3- 12: نواحي مختلف تماس دهنده در شبيه سازي51
شکل 3- 13: ضريب نفوذ براي مخلوط دو جزئي بخار آب و هوا55
شکل 3- 14: مشبندي جهت حل با استفاده از روش المان محدود58
شکل 3- 15: الگوريتم حل برنامه63
شکل 4- 1: اثر درصد رطوبت نسبي هواي ورودي بر بازده (ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)67
شکل 4- 2: اثر درصد رطوبت نسبي هواي ورودي بر بازده (ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)67
شکل 4- 3: تغييرات دماي نقطه شبنم هواي خروجي با درصد رطوبت نسبي هواي ورودي (ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)68
شکل 4- 4: تغييرات دماي نقطه شبنم هواي خروجي با درصد رطوبت نسبي هواي ورودي (ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)69
شکل 4- 5: اثر درصد رطوبت نسبي هواي ورودي بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب (ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)70
شکل 4- 6: اثر درصد رطوبت نسبي هواي ورودي بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب (ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)71
شکل 4- 7: اثر دبي جريان گاز بر بازده و دماي نقطه شبنم هواي خروجي ( ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه )72

شکل 4- 8: اثر دبي جريان گاز بر بازده و دماي نقطه شبنم هواي خروجي ( ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه )73
شکل 4- 9: اثر دبي جريان گاز بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب ( ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه )74
شکل 4- 10: اثر دبي جريان گاز بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب ( ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه )74
شکل 4- 11: اثر دبي جريان مايع بر بازده و دماي نقطه شبنم هواي خروجي ( ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان گاز: 1000 ميلي ليتر بر دقيقه )75
شکل 4- 12: اثر دبي جريان مايع بر بازده و دماي نقطه شبنم هواي خروجي ( ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان گاز: 1000 ميلي ليتر بر دقيقه )76
شکل 4- 13: اثر دبي جريان مايع بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب ( ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان گاز: 1000 ميلي ليتر بر دقيقه )77
شکل 4- 14: اثر دبي جريان مايع بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب ( ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان گاز: 1000 ميلي ليتر بر دقيقه )78
شکل 4- 15: اثر غلظت تري اتيلن گلايکول بر بازده و دماي نقطه شبنم هواي خروجي (ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)79
شکل 4- 16: اثر غلظت تري اتيلن گلايکول بر بازده و دماي نقطه شبنم هواي خروجي (ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)79
شکل 4- 17: اثر غلظت تري اتيلن گلايکول بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب (ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)80
شکل 4- 18: اثر غلظت تري اتيلن گلايکول بر ميزان شار انتقال جرم بخار آب (ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دبي جريان گاز :1000 ميلي ليتر بر دقيقه، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه)81
شکل 4- 19: اثر جهت جريان بر بازده در دبي هاي مختلف گاز ( ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه )82
شکل 4- 20: اثر جهت جريان بر بازده در دبي هاي مختلف گاز ( ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه )82
شکل 4- 21: اثر جهت جريان بر دماي نقطه شبنم هواي خروجي در دبي هاي مختلف گاز ( ماژول (1)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه )83
شکل 4- 22: اثر جهت جريان بر دماي نقطه شبنم هواي خروجي در دبي هاي مختلف گاز ( ماژول (2)، دماي محيط، فشار اتمسفريک، دماي نقطه شبنم هواي ورودي: 24 درجه سانتي گراد، دبي جريان مايع: 9 ميلي ليتر بر دقيقه )83
فصل اول
مقدمه
1-1- گاز طبيعي و رطوبت زدايي از آن
گاز طبيعي يکي از مهمترين منابع اوليه انرژي است. مخازن گازي بزرگي در دهههاي اخير کشف شدهاند و اميد به کشف مخازن گازي بيشتر، بسيار روشن است. گاز طبيعي موجود در مخازن زيرزميني تحت شرايط دمايي و فشاري خاص، درکنار نفت و آب قرار دارد. از اين جهت گاز طبيعي ممکن است مقداري ناخالصي شامل دي اکسيد کربن، سولفيد هيدروژن، بخار آب و … به همراه خود داشته باشد[1].
گاز طبيعي براي اين که بتواند به مصرف خانگي و صنعتي برسد، بايد طي چند مرحله در پالايشگاهها تصفيه شود و ناخالصي آن گرفته شود، ميزان اين ناخالصيها بايستي در حد استاندارد خط لوله يا فروش باشد. از مهم ترين مراحل تصفيهي گاز طبيعي، جذب گازهاي اسيدي از گاز در صورت دارا بودن اين ترکيبات و نم زدايي1 است.
نم زدايي يا رطوبت زدايي يکي از مراحل پالايش گاز طبيعي است. پس از تفکيک نفت از گاز، مقداري آب آزاد همراه با گاز طبيعي وجود دارد. که بيشتر آن توسط روشهاي جداسازي ساده در سر چاه يا در نزديکي آن از گاز جدا ميشود. در حالي که بخار آب موجود در محلول گاز ميبايست طي فرآيندي بسيار پيچيده تحت عنوان نم زدايي و يا رطوبت زدايي از گاز طبيعي تفکيک گردند.
1-2- مشکلات ناشي از حضور بخارات آب در گاز طبيعي
آب شايد يکي از ناخالصيهاي ناخواسته مشترك تمام گازهاي طبيعي است. معمولاً بخار آب به تنهايي باعث بروز مشکل چنداني نميشود، اين ماده بصورت مايع يا جامد در حالت تراکم و يا خنک شدن از گاز جدا شده و ايجاد مشکل مينمايد. اگر دماي ديواره لوله انتقال يا مخازن نگهداري گاز طبيعي تا به زير دماي نقطه شبنم2 گاز کاهش يابد، بخارات آب موجود در گاز طبيعي شروع به ميعان شدن بر روي سطح سرد لوله ميکنند که مشکلات زير را در بر خواهد داشت[2]:
گاز طبيعي در کنار قطرات آب امکان تشکيل هيدرات3 را ايجاد ميکند، که تشکيل هيدرات خود موجب افزايش افت فشار، انسداد، گرفتگي جزئي يا کلي خط لوله گاز و در برخي موارد انفجار خط لوله ميشود.
گازهاي دي اکسيد کربن و سولفيد هيدروژن موجود در گاز طبيعي در قطرات آب حل ميشوند و موجب به وجود آمدن ترکيبات بسيار خورندهاي ميشوند که باعث آسيب رسيدن به خط لوله ميشود.
بخار آب موجب کاهش ارزش حرارتي4 گاز طبيعي ميشود.
اشغال قسمتي از سطح لوله و کاهش ظرفيت مفيد آن
انجماد در واحدهاي جذب که با سرمايش گاز همراه ميباشند.
1-3- انواع روشهاي نم زدايي از گاز طبيعي[3-6]
انتخاب روش نم زدايي بستگي به شرايط گاز (اجزاي تشکيل دهنده و فشار و دما و دبي) و ميزان نياز به نم زدايي دارد. مقدار آب موجود در گاز را ميتوان با نقطه شبنم گاز در فشار و دماي مورد نظر مشخص کرد. کاهش نقطه شبنم گاز، نشانگر مقدار آبي است که در فرآيند نم زدايي از گاز جدا ميشود. روشهاي مختلف نم زدايي عبارتند از:
روش جذب در مايع بوسيله مايعات جاذب رطوبت5
در اين روش رطوبت گاز توسط يک مايع حلال از گاز جدا ميشود. انواع مختلف گلايکول از مهم ترين موادي است که در اين روش مورد استفاده قرار ميگيرد.
روش جذب جامد به وسيله جامدات جاذب رطوبت6
در اين روش رطوبت گاز توسط يک جامد فعال از گاز جدا ميشود، سيليکاژل، موبيل سوربيد، اکسيد آلومينيوم و غربال مولکولي از مهمترين جامداتي هستند که در اين روش به کار ميروند.
روش ميعان نمودن آب به وسيله فشردن يا سرد کردن گاز7
در اين روش گاز توسط کمپرسور فشرده شده و با توجه به اين که دماي آن زياد مي شود، توسط يک سيستم خنک کننده سرد شده و بخارات آن که مايع شده از گاز جدا مي شود. در اين روش گاز مرطوب در اثر تبادل حرارت با يک ماده مبرد8 سرد ميشود. در اين عمل بخارات آب و هيدروکربونهاي سنگين آن کندانس شده و به صورت مايع از گاز جدا مي شود. اين عمل ممکن است در چند مرحله انجام شود.
1-3-1- جذب در مايع بوسيله مايعات جاذب رطوبت
مايعاتي که براي جذب آب به کار برده ميشوند، بايد خواص مطلوبي داشته و نيازهاي متعدد عملياتي را برآورده نمايند که مهم ترين آنها عبارتند از:
خاصيت جذب آب زياد
قيمت پايين
خاصيت غير خورندگي
پايداري در برابر اجزاي گاز
پايداري در مدت زمان احيا
سادگي در احيا
چسبندگي (ويسکوزيته) پايين و مناسب
فشار بخار پايين در درجه حرارت تماس با گاز
خاصيت حلاليت کم در گاز طبيعي و هيدروکربورهاي مايع
خاصيت ايجاد کف پايين و ميل کم به امولسيون شدن
دو ماده آلي که تمام خواص ذکر شده را در سطح رضايت بخشي برآورده مينمايند عبارتند از:
دي اتيلن گلايکول9
تري اتيلن گلايکول10
انواع مختلف گلايکول ها
گلايکولها، به ويژه دي اتيلن گلايکول (DEG) و تري اتيلن گلايکول (TEG) در سيستمهاي نم زدايي از گاز اهميت ويژهاي دارند. در جدول 1- 1 مشخصات فيزيکي گلايکولها قابل مشاهده ميباشد. با توجه به خواص گلايکولها که ذکر شد، مهم ترين عواملي که موجب استفاده گسترده از گلايکولها در نم زدايي گازها ميشود عبارتند از خاصيت جذب آب، پايداري عالي در برابر حرارت و در برابر تجزيه شيميايي، فشار بخار پايين و قيمت مناسب.
جدول 1- 1: مشخصات انواع گلايکول ها [3]
MethanolTetraethylene GlycolTriethylene GlycolDiethylene
GlycolEthylene GlycolCH3OHC6H18O5C6H14O4C4H10O3C2H6O2Formula32.04194.2150.2106.162.1Molecular Weight64.5314285.5244.8197.3Boiling Point at 760 mm Hg (25°C)120<0.01<0.01<0.010.12Vapor Pressure at 25°C (mm Hg)0.791.121.1191.1131.11Density at 25°C (g/cc)-1442219178Freezing Point (°F)0.5244.637.328.216.5Viscosity at 25°C (centipoise)22.545454447Surface Tension at 25°C (dynes/cm)0.600.520.530.550.58Specific Heat at 25°C (Btu/(lb.°F))
هرچه وزن مولکولي گلايکولها افزايش يابد، خاصيت جذب آب در آنها نيز بالا ميرود. چهار نوع عمده و تجاري گلايکولها عبارتند از : مونو اتيلن گلايکول (MEG)، دي اتيلن گلايکول (DEG)، تري اتيلن گلايکول (TEG) و تترا اتيلن گلايکول (TREG). نقطه جوش مونو اتيلن گلايکول و دي اتيلن گلايکول پايين ميباشد، لذا اين مواد از ميزان هدر رفت بالايي برخوردار هستند. از طرفي تترا اتيلن گلايکول بسيار ويسکوز و گران است. لذا بهترين حلال، تري اتيلن گلايکول است که در بين انواع گلايکولها به دليل داشتن نقطه جوش و دماي تبخير بالا، قابليت بازيافت تا 99-98 درصد در يک برج احيا که با فشار اتمسفريک کار مي کند، منحصر به فرد به شمار ميرود. اين مسئله اجازه ميدهد که بتوان دماي نقطه شبنم را در محدوده 150-80 درجه فارنهايت تنظيم نماييم. همچنين دماي نقطه تخريب تري اتيلن گلايکول حدود 206 درجه سانتي گراد است، در صورتي که براي دي اتيلن گلايکول اين نقطه حدود 164 درجه سانتي گراد است و نيز در دماي بيشتر از 21 درجه سانتي گراد به اندازه تترا اتيلن گلايکول ويسکوز نميباشد.
به منظور کاهش مقدار آب موجود در گازها توسط گلايکولها عمدتاً از سه روش مرسوم به شرح زير استفاده ميشود:
سيستم نم زدايي با گلايکول که در اين سيستمها عمدتاً از برج تماس تري اتيلن گلايکول با خلوص بيش از 99% استفاده ميشود و دماي بهره برداري گاز به طور متوسط در حد 20 تا 40 درجه سانتي گراد قرار دارد.
سيستمهاي تبريد با تزريق مونو اتيلن گلايکول (در بعضي موارد دي اتيلن گلايکول) که در چيلرها، گاز سرد شده (تا حدود 20- تا 40- درجه سانتي گراد) و آب و هيدروکربورها از آن جدا ميشود، در اين سيستمها با ويژگيهاي عملياتي خاص خود گلايکول به عنوان ضد يخ عمل نموده و از بروز هيدرات در چيلرها و ساير تأسيسات تبريد شده ممانعت به عمل ميآورد. بديهي است که با سرد شدن گازهاي غني طبيعي، ميعانات گازي و بخار آب موجود در گاز، آب آن توسط گلايکول جذب و از سيستم خارج ميشود. گلايکولهاي مورد استفاده در اين سيستمها در جهت ممانعت از کريستاليزه شدن آنها معمولاً در محدوده غلظتي بين 60% تا 85% مورد استفاده قرار ميگيرند.
در مواردي خاص که احتمال بروز هيدرات در شيرهاي کنترل، تأسيسات تقليل فشار گاز و ساير نقاط مشخص از سيستمهاي عملياتي وجود دارد ميتوان با تزريق مقادير حساب شده از انواع گلايکولها، ترجيحاً مونو اتيلن گلايکول و دي اتيلن گلايکول و يا متانول با غلظتهاي ورودي معيني از خطر تشکيل هيدرات در تأسيسات مورد نظر جلوگيري به عمل آورد.
1-3-2- جذب آب توسط مواد جامد جاذب رطوبت
جذب مولکولي آب و هيدروکربور به دو طريق ممکن است انجام شود. يکي جذب بوسيله واکنشهاي شيميايي بين ماده جذب شدني و ماده جاذب رطوبت و ديگري جذب در اثر خاصيت ميعان مويينگي به گونهاي که مولکولهاي آب و هيدروکربورهاي سنگين در حفره هاي دانهاي جاذب رطوبت به دام افتاده و مايع شوند و در دماي بالا مجدداً به صورت بخار از درون حفرهها خارج شده و بستر احيا شود. موادي که بدين طريق عمل جذب و دفع را انجام ميدهند کاربرد گستردهاي در صنعت دارند. خواص مشترک مورد نياز اين جامدات جاذب رطوبت به قرار زير است:
سطح فعال اين مواد در فرايند جذب زياد باشد.
شرايط احيا آن در حد قابل قبولي باشد.
سرعت جذب رطوبت گاز زياد باشد.
احياي آن آسان و اقتصادي باشد.
در برابر جريان گاز، مقاومت کمي داشته باشد يعني افت فشار کمي در گاز ايجاد کند.
از قدرت مکانيکي بالايي برخوردار باشد تا دانههاي آن شکسته و يا ساييده نشود.
جنس آن خورنده و سمي نباشد، ارزان و از نظر شيميايي خنثي باشد، دانسيته آن زياد باشد.
در زمان احيا و سرويس تغييرات حجمي آن ناچيز باشد.
مواد جاذب رطوبت به دليل فضاي متخلخل زيادي که دارند ( هر گرم آن حدود 500 تا 800 متر مربع مساحت دارد) بهترين انتخاب در اين خصوص ميباشند.
انواع مواد جامد جاذب رطوبت
مواد جامد جاذب رطوبت از نظر تجاري به گروههاي زير تقسيم بندي ميشوند:
بوکسيت11: در طبيعت به صورت سنگ معدن وجود دارد که بيشترين حجم آن را اکسيد آلومينيوم AL2O3 تشکيل ميدهد.
آلومينا12: يک محصول خالصتر ميباشد و از بوکسيت ساخته ميشود.
ژل ها13: توسط واکنشهاي شيميايي ساخته ميشوند و بخش عمده آن را اکسيد سيليس (SiO2) تشکيل ميدهد.
زغال فعال14: يک محصول به دست آمده از زغال سنگ است که براي جذب مواد فعال شده است.
غربال مولکولي15: يک اسفنج از ترکيبات کلسيم، سديم و آلومينيم سيليکات است و فرمول کلي آن به قرار زير است:
(1-1)
تمام مواد فوق به استثناي کربن فعال براي نم زدايي مورد استفاده قرار ميگيرد. ظرفيت جذب کربن فعال بسيار کم بوده و براي بازيافت هيدروکربنها و جذب ناخالصيهاي مشخصي که خواص معيني دارند، به کار برده ميشود.
به طور معمول لوازم و تجهيزات مورد استفاده براي مواد مختلف، اساساً مشابه بوده و در بسياري از حالات قابليت تعويض با يکديگر را دارند و واحدهاي طراحي شده براي عمليات يکي از آنها براي نوع ديگر مناسب است.
کاربردهاي اساسي جامدات جاذب رطوبت شامل موارد زير است:
چنانچه گاز کاملاً خشک مورد نياز باشد، از اين فرآيند استفاده ميشود.
در مواردي که از لحاظ موقعيت مکاني، محدوديت وجود دارد.
در نم زدايي از گاز طبيعي با فشار بالا و حجم زياد، چنان چه نقطه شبنم پايين مد نظر باشد استفاده از اين سيستم نسبت به سيستم نم زدايي به وسيله گلايکول مناسبتر است.
1-3-2-1- سيليکاژل
سيليکاژلها به صورت پودر يا دانههاي سخت با ظاهري شيشهاي شبيه کوارتز وجود دارند. اين مواد را اغلب با فرمول SiO2+nH2O نشان ميدهند، مخلوط حاصل را درون يک هيدروسل قرار داده و پس از شستن و بيرون ريختن سولفات سديم، هيدروژل را خشک مي نمايند. محصول به دست آمده تخلخل بالايي دارد به گونه اي که قطر متوسط منافذ آن 40 آنگستروم است. جدول 1- 2 آناليز شيميايي يک نوع سيليکاژل تجاري را نشان مي دهد.
1-3-2-2- موبيل سوربيد
موبيل سوربيد يک نوع سيليکاژل اصلاح شده است که تکنيکهاي پيشرفتهتري در ساخت آن به کار رفته و به شکل دانههاي سخت کروي و نيمه شفاف ديده ميشود که در آن تعداد حفرههاي بسيار زيادي وجود دارند که ديده نميشوند. بخار در اين حفرهها به دام مي افتد و مايع ميشود، حفرهها در موبيل سوربيد آنقدر زياد است که هر 500 گرم آن 30 هکتار مساحت دارد. سوربيدها خورنده نيستند و در شرايط ايستايي حدود 40% وزن خود آب جذب ميکنند. چون فعاليت موبيل سوربيدهاي نوع H و نوع R بسيار زياد است، آب ميتواند سبب شکستن دانهها شود، جهت حفاظت از بستر سوربيدهاي H و R در برابر آب، از سوربيد نوع W و Ws استفاده ميشود، نوع W و Ws در برابر آب مقاوم است، پيش از اين محصول موبيل سوربيد تحت نام KC-TROCKENPERELEN عرضه ميشد که محصول شرکت Engelhard آلمان بود ( بعدها شرکت BASF اين شرکت را خريداري نمود). در حال حاضر شرکتهاي متعددي اين محصولات را با نامهاي تجاري مختلف به بازار عرضه مينمايند. سيليکاژل نوع H براي جداسازي هيدروکربونهاي سنگين تر از پنتان و نوع Ws براي جداسازي آب از جريان گازي مورد استفاده قرار ميگيرد.
در حال حاضر شرکتهاي Union Carbide، BASF، Slicarbon و بسياري ديگر ( شرکتهاي روسي و چيني) از عمدهترين توليدکنندگان اين مواد در خارج کشور بوده و در داخل کشور نيز تلاشهاي بسيار خوبي براي توليد اين مواد انجام شده است و دانش فني توليد آن بدست آمده است، اطمينان داريم بزودي محصولات توليد داخل کشور به عنوان رقيب محصولات خارجي در پالايشگاههاي گاز کشور استفاده خواهند شد.
1-3-2-3- آلوميناي فعال
آلوميناي فعال شکلي از اکسيد آلومينيوم است که مقادير جزيي هيدرات ها و ذرات متخلخل و مقادير بسيار کمي از عناصر ديگر در آن به کار رفته است. 51% از حجم ذرات آن را حفرهها تشکيل ميدهند. آناليز نمونه اي از آن در جدول 1- 2 نشان داده شده است.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

1-3-2-4- بوکسيت فعال
بوکسيت فعال ذراتي با رنگ قرمز متمايل به قهوهاي ميباشند که از سختي بالايي برخوردارند. اين ماده به طور طبيعي از گرم کردن بوکسيت تحت شرايط خاصي که آب از آلوميناي آن خارج ميشود به دست ميآيد که پس از فعال نمودن آن داراي ترکيب درصدهايي همانند جدول 1- 2 ميباشد. از ويژگيهاي برجسته بوکسيت فعال، پايين بودن هزينههاي عملياتي در مقايسه با ديگر جاذبها است. ويژگي ديگر آن مقاوم بودن در برابر آب مايع است و از معايب عمده آن پايين بودن ظرفيت جذب آن ميباشد.
جدول 1- 2: مقايسه ظرفيت جذب انواع مواد خشک کننده در برابر هواي مرطوب [3]
1-3-2-5- غربال مولکولي
گرچه تهيه غربالهاي مولکولي به طور طبيعي از مدتها قبل شناخته شده بود ولي تا سال 1954 که شرکت Union Carbide موفق به ساخت آن از طريق واکنشهاي شيميايي شد، غربالهاي مولکولي جزء مواد تجاري به حساب نميآمدند. غربال مولکولي برخلاف خشک کنندههاي متداول (سيليکاژل، موبيل سوربيد، اکسيد آلومينيوم و … ) داراي ساختمان کريستالي ميکروسکوپي ثابت با مشخصات مخصوص به خود ميباشد، که با استفاده از يک ماده ثانوي ميتوان ساختمان ظاهري آن را به اشکال مختلف مورد استفاده در صنعت در آورد. از نظر شيميايي مجموعهاي از ترکيبات کلسيم، سديم، آلومينيوم سيليکات مواد اصلي تشکيل دهنده آن است. پس از انجام عمليات تکليس16 در مجاورت حرارت 400 تا 600 درجه سانتي گراد، آبهاي کريستالي در ساختمان آن خارج ميشود و منافذ بسيار ريزي در حد آنگستروم به وجود ميآيد و کار جذب رطوبت را انجام ميدهد. در حالتهاي خاص ميتوان اندازه منافذ ايجاد شده را با تغييرات جزئي در مبادله يوني بين سديم، پتاسيم و کلسيم به طور دلخواه تغيير داد و منافذي با قطر 3 تا 5 آنگستروم ايجاد نمود تا جذب مولکولهاي کوچک در آن صورت گيرد.
اگر تغييرات خاصي بر روي آلومينيوم سيليکات صورت گيرد منافذي با قطرهاي 8 تا 10 آنگستروم ايجاد خواهد شد که براي جذب مولکولهاي بزرگتر مورد استفاده قرار ميگيرد به گونهاي که از علامت اختصاري آن به اندازه منافذ و کاربرد آن ميتوان پي برد. به عنوان مثال نوع (4A) قادر است فقط آن دسته از مولکولهايي را جذب کند که قطر آن 4 آنگستروم بيشتر نباشد. در ساختمان اين ماده پتاسيم جايگزين سديم شده (4A) در نوع (5A) کلسيم جايگزين سديم شده است. اندازه مولکولهايي را که قادرند به داخل ساختمان کريستالي غربال مولکولي نفوذ کرده و در آن جذب شوند به همراه ديگر ويژگيهاي مهم آن در جدول 1- 3 آمده است. علاوه بر غربال مولکولي که در جدول 1- 3 آمدهاند دو نوع غربال مولکولي ديگر نوع AW 300 و AW500 براي نم زدايي از گازهاي ترش بکار ميروند.
غربالهاي مولکولي در نم زدايي از گازهايي به کار مي روند که بايد خشک شوند و نقاط شبنم بسيار پاييني را در اختيار قرار مي دهند ( حدود 100- درجه سانتي گراد).
اگر چه غربالهاي مولکولي نسبت به ديگر مواد خشک کننده گران هستند ولي داراي مزاياي زير هستند:
براي نم زدايي از گازهايي که رطوبت نسبي آن پايين است، ظرفيت جذب بالايي دارند.
در دماي بالاتر از 50 درجه سانتي گراد نيز قادر به نم زدايي هستند.
به طور انتخابي آب و هيدروکربور را جذب ميکنند.
هر ناخالصي همراه گاز را جذب ميکنند.
گاز را کاملاً خشک نموده و نقطه شبنم پايين ايجاد مينمايند.
در برخورد با آب شکسته و يا ساييده نمي شوند و به يک لايه محافظ نياز ندارند.
ظرفيت جذب آب به صورت پوند آب جذب شده توسط 100 پوند غربال مولکولي در فشار 5/17 ميليمتر جيوه و دماي 25 درجه سانتيگراد به شکل کروي تعريف ميشود.
جدول 1- 3: خواص انواع غربال هاي مولکولي [3]
يکي از مهم ترين خواص غربال مولکولي داشتن حالت انتخاب و جذب ذرات مولکولي است به طوري که ميتوان به راحتي ايزومرهاي يک هيدروکربور را از مشتقات اصلي آن به روش کاملاً اقتصادي جدا نمود. به دليل خاصيت فوق العاده شديد در جذب مولکولهاي قطبي H2S، CO2، H2O ميتوان به تفکيک هيدروکربورهاي غير اشباع از هيدروکربورهاي اشباع پرداخت.
خواص فيزيکي انواع مواد جاذب رطوبت در جدول 1- 4 داده شده است. در ادامه خواص مهم هر يک از جاذبهاي تجاري شرح داده شده است.
جدول 1- 4: خواص فيزيکي انواع مواد خشک کننده تجاري [3]
پارامترهاي مؤثر در انتخاب يک ماده جامد خشککننده
انتخاب يک ماده جاذب رطوبت با در نظر گرفتن مسايل اقتصادي صورت ميگيرد در اين قسمت به بعضي پارامترهايي که در انتخاب اين مواد مؤثر است اشاره ميشود.
آلومينا نسبتاً ارزانتر از بقيه است چون ظرفيت جذب آن پايين است، بنابراين براي رسيدن به نقطه شبنم مطلوب، نياز به طراحي برج بزرگتري ميباشد. بنابراين دستگاه ها و لوازم احيا نيز به همان نسبت افزايش مييابد.
غربال مولکولي از بقيه جاذبها گرانتر است ولي برخلاف همه آنها قادر است گاز با دماي بالاتر از 50 درجه سانتي گراد را نيز خشک نمايد، در مقابل گاز ترش نيز قادر به جذب آب ميباشد و نقطه شبنم پايين تر از ديگر خشک کنندهها ايجاد ميکند. براي گازهاي ترش که ترکيبات گوگردي کمي دارند سيليکاژل مناسب است، خشک کننده هايي نظير آلوميناي فعال که در ترکيب آنها، آهن به کار رفته است. براي نم زدايي از گازهاي ترش مناسب نيستند چون اکسيد آهن به کار رفته در آن با H2S واکنش مي دهد و سولفور آهن به وجود ميآورد و اين واکنش به طور کلي خصوصيات ماده جاذب رطوبت را عوض ميکند.
در حالتي که PH آب تشکيل شده درون منافذ از 5 کمتر شود بايد از غربال مولکولي نوع AW استفاده شود.
1-2- فرآيندهاي غشائي
در چند سال اخير، فرآيندهاي غشائي به طور گسترده در فرآيندهاي جداسازي مورد استفاده قرار ميگيرد. در صنايع گاز استفاده از غشاءها براي جداسازي گازهاي مختلف، روند رو به رشدي داشته و جداسازي ترکيبات مختلف از گاز طبيعي توسط فرآيندهاي غشائي مورد توجه بسياري از محققان قرار گرفته است. تکنولوژي غشاء به خاطر ويژگي هاي ذاتي خود مانند حجم کم، احتياج نداشتن به انرژي براي احيا، سادگي در انجام عمليات، نداشتن قسمت متحرک و … جايگزين مناسب و بسيار جذابي براي فرآيندهاي جذب و جذب سطحي رايج در پالايشگاههاي گاز است[7].
1-2-1- معرفي تکنولوژي غشاء


پاسخ دهید