Subject Areas :

Ali Zomorodnia ¹ , شهناز داودی ² , Mostafa Narimani ³ , Afsaneh Maleki ⁴

1 - Department of Engineering, Petroleum and Energy Research Center, Om. C., Islamic Azad University, Omidiyeh, Iran
2 -
3 - Department of Chemical Engineering, Om. C., Islamic Azad University, Omidiyeh, Iran
4 - Department of Chemistry, Om. C., Islamic Azad University, Omidiyeh, Iran

Received: 2024-08-11 Accepted : 2024-09-11 Published : 2024-09-20

Keywords:

Full-Text:



 

تابستان 1403 ، دوره 3،شماره 2     فصلنامه نانو شیمی و الکتروشیمی

شاپا چاپی: 9228-2008 شاپا الکترونیکی: 7264-2423

مقاله پژوهشی

مدل سازی فرآیند بودار کردن گاز طبیعی در ایستگاه های فشار به منظور استفاده گاز شهری در خطوط لوله  

علی زمردنیا۱، شهناز داودی۲*، مصطفی نریمانی۱، افسانه مالکی۲

۱- گروه فنی و مهندسی، مرکز تحقیقات نفت و انرژی، واحد امیدیه، دانشگاه آزاد اسلامی، امیدیه، ایران

2- گروه شیمی، واحد امیدیه، دانشگاه آزاد اسلامی، امیدیه ، ایران

چکیده در این پژوهش، فرآیند شبیه‌سازی سیستم بودارکننده در خط فرعی انتقال گاز طبیعی مورد ارزیابی قرار گرفته است. به منظور بررسی این فرآیند، میزان جریان گاز ورودی تحلیل شد. یک مدل ریاضی برای پیش‌بینی رفتار گاز در شرایط حباب‌زایی تدوین شد. نتایج نشان داد با افزایش نرخ جریان ورودی از 5000 به 15000 مترمکعب در ساعت، در گام‌های 5000 مترمکعب در ساعت به افزایش نرخ جریان عبوری گاز منجر می‌شود. این امر سبب افزایش سطح انتقال جرم مؤثر شده و غلظت ماده بودارکننده (اتیل مرکاپتان) همراه گاز در خروجی افزایش می‌یابد. همچنین نتایج حاصل از این مدل، اندازه بهینه حباب‌های گازی را تعیین کرد.

از دستگاه خود برای اسکن و خواندن مقاله به صورت آنلاین استفاده کنید              واژه­های کلیدی: گاز طبیعی، اتیل مرکاپتان، شبیه‌سازی، بودارکننده

 

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

مقدمه 

در نتیجه پیشرفت‌های چشمگیر صنایع، به‌ویژه در حوزه نفت و گاز، خطرات مرتبط با استخراج، انتقال و ذخیره این مواد به‌طور مداوم در حال افزایش است. شناسایی دقیق مخاطرات بالقوه و عوامل آسیب‌رسان در این صنایع، همراه با مدیریت کارآمد ریسک، اهمیت بسیاری در بهبود ایمنی و کاهش خطرات جانی و مالی دارد. نشت مواد خطرناک مانند گازهای قابل اشتعال، مواد انفجاری یا ترکیبات سمی، همواره به‌عنوان تهدیدی جدی برای کارکنان، ساکنان مناطق مجاور و همچنین محیط زیست مطرح بوده است. حوادث مرتبط با صنایع نفت و گاز اغلب از یک رویداد آغاز می‌شوند که می‌تواند شامل انفجار خطوط لوله، ترکیدگی مخازن یا وقوع واکنش‌های غیرقابل‌کنترل باشد. این حوادث منجر به انتشار حجم زیادی از مواد در محیط می‌شود که احتمال بروز پیامدهای ثانویه‌ای مانند آتش‌سوزی، انفجار یا مسمومیت را افزایش می‌دهد. امروزه استفاده گسترده از خطوط لوله برای انتقال حجم عظیمی از گاز در مسافت‌های طولانی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. وجود میلیون‌ها کیلومتر خط لوله در سراسر جهان نشان‌دهنده اهمیت این فناوری است که همچنان در حال گسترش می‌باشد. با این حال، این توسعه گسترده بدون اتخاذ تدابیر مناسب، از جمله تعیین حریم ایمن و ارزیابی خطرات احتمالی در صورت وقوع حادثه، غیرقابل‌قبول است[2-1].

به همین دلیل از تزریق ماده بودارکننده به جریان گاز طبیعی و یا گاز مایع به عنوان یک ماده هشداردهنده استفاده می‌شود. به طور کلی اساس کار دستگاه‌ها در روش‌های بودارکننده به دو روش تزریقی و کنارگذر تقسیم می‌شوند. سیستم‌های بودارکننده کنارگذر بر اساس فرآیند انتقال جرم از فاز مایع به فاز گاز عمل می‌کنند. این انتقال جرم می‌تواند از طریق تماس مستقیم بین فازهای مایع و گاز و یا از طریق تبخیر مولکول‌های ماده بودارکننده در فاز گاز انجام شود. در این روش، بخشی از جریان گاز از طریق یک خط لوله کنارگذر وارد مخزن حاوی ماده بودارکننده می‌شود. پس از تماس با ماده بودارکننده، بخشی از آن تبخیر شده و به جریان گاز اضافه می‌شود. گاز غنی‌شده با ماده بودارکننده پس از بازگشت به خط اصلی، با جریان گاز اصلی مخلوط شده و باعث بودار شدن آن می‌گردد[4-3]. این نوع سیستم به نام "بودارکننده کنارگذر حالت گاز" شناخته می‌شود. نوع دیگری از این سیستم‌ها که "بودارکننده کنارگذر حالت مایع" نام دارد، عملکرد ساده‌تری دارد. در این روش، جریان گاز در خط کنارگذر به عنوان عامل ایجاد فشار عمل می‌کند و ماده بودارکننده را از مخزن خارج کرده و از طریق یک شیر تنظیم دقیق به خط اصلی تزریق می‌کند. در این تحقیق بودار کردن گاز طبیعی به صورت کنار گذر بر اساس فرایند جذب صورت می‌گیرد. در نهایت مدل ریاضی به نام مدل حباب گاز جهت بررسی عملکرد دستگاه بودارکننده کنارگذر بر اساس سرعت گاز ورودی و توزیع اندازه بهینه حباب در این فرآیند ارائه شد.

روش پژوهش

تعیین میزان تزریق ماده بودار کننده

برای محاسبه میزان تزریق ماده بودارکننده، چه به صورت مایع و چه به صورت گاز، در روش کنارگذر و در شرایط بهینه، نیاز به دانستن خواص گاز طبیعی و ماده بودارکننده برای تأمین غلظت مناسب ماده بودارکننده در تزریق است. با داشتن دما و فشار در محل مصرف، دانسیته ماده بودارکننده در حالت گاز، وزن مولکولی ماده بودارکننده و گاز، می‌توان شدت جریان جرمی یا حجمی مورد نیاز برای تزریق را به راحتی با استفاده از روابط (1) تا (3) محاسبه کرد.

(1)                                                                                                                            

(2)                                                                                                                            

(3)                                                                                                  

برای انجام این محاسبات، می‌توان فرض کرد که دما و فشار در محل مصرف به ترتیب برابر با 25 درجه سلسیوس و 0.25 (psig) است و مقدار عددی (C_std) برابر با ppmv4  می‌باشد. این فرض به منظور هم‌راستا کردن نتایج با دستورالعمل‌های مورد استفاده در شرکت گاز برای تزریق ماده بودارکننده، که 10 گرم به ازای هر 1000 مترمکعب گاز است، در نظر گرفته شده است.به همین ترتیب می‌توان نتیجه محاسبات را برای یک دوره 24 ساعته انجام داد.

مدل ریاضی حباب گاز

در این قسمت، مدل محاسبه قطر حباب گاز و میزان انتقال جرم بین فاز گاز و مایع بررسی شده است. تزریق ماده بودارکننده در دستگاه کنارگذر حالت گاز نیازمند وارد کردن گاز طبیعی به صورت حباب در ماده بودارکننده است. در این فرآیند، عملیات انتقال جرم بین فازهای گاز و مایع صورت می‌گیرد و ماده بودارکننده از فاز مایع به حباب گاز طبیعی نفوذ می‌کند. با حرکت تدریجی حباب از پایین مخزن به سطح، غلظت ماده بودارکننده در حباب افزایش می‌یابد. با تغییر شدت جریان گاز طبیعی ورودی به مخزن از طریق نازل با قطر معین، می‌توان قطر حباب‌ها، تعداد حباب‌ها و در نهایت میزان تزریق ماده بودارکننده به جریان گاز طبیعی را کنترل کرد. بنابراین، میزان تزریق ماده بودارکننده به متغیرهای فرآیندی زیر بستگی دارد:

دما، فشار، خواص گاز و شدت جریان حجمی گاز طبیعی ورودی به مخزن ماده بودارکننده.

قطر و تعداد نازل‌هایی که در پایین مخزن ماده بودارکننده قرار دارند.

دما و خواص ماده بودارکننده و عمق سیالی که بالای نوک نازل در مخزن وجود دارد. موارد اول و دوم سطح تماس بین فاز مایع (ماده بودارکننده) و فاز گاز (حباب گاز طبیعی) را تعیین می‌کنند، در حالی که موارد اول و سوم زمان تماس بین دو فاز را مشخص می‌کنند. به طور کلی، تمامی این پارامترها میزان انتقال جرم بین دو فاز و در نتیجه میزان تزریق ماده بودارکننده را تحت تأثیر قرار می‌دهند. در ادامه، نحوه محاسبه پارامترهای مؤثر در این فرآیند، شامل سطح تماس، زمان تماس و میزان انتقال جرم بین دو فاز، ارائه می‌شود.

سطح تماس بین دو فاز از حاصل ضرب سطح جانبی یک حباب در تعداد حباب‌ها به دست می‌آید. برای محاسبه سطح جانبی یک حباب، می‌توان فرض کرد که حباب به شکل کروی است و قطر معادل حباب را به عنوان قطر کره در نظر گرفت. این فرض زمانی معتبر است که تنها عامل ایجاد تلاطم در فاز مایع، حرکت حباب‌های گاز به سمت بالا باشد. به عبارت دیگر، شدت جریان حجمی گاز ورودی به هر نازل باید به اندازه‌ای باشد که حباب‌های منفرد تولید کند و فاصله حداقلی بین نازل‌ها رعایت شود. در این شرایط، حباب‌های تولید شده در یک نازل با حباب‌های نازل‌های مجاور تداخل نخواهند داشت و در طول مسیر حرکت خود به سمت بالا، با یکدیگر ادغام نمی‌شوند.

در این حالت، قطر حباب‌هایی که از یک نازل تولید می‌شوند، به شدت جریان حجمی گاز ورودی، قطر نازل، خواص فیزیکی گاز و تلاطم فاز مایع وابسته است. برای جلوگیری از تداخل حباب‌ها، نازل‌ها به صورت افقی نصب می‌شوند و فاصله حداقلی بین دو نازل مجاور سه برابر قطر حباب در نظر گرفته می‌شود. با فرض چنین شرایطی در طراحی نهایی، شدت جریان عبوری از هر نازل می‌تواند در سه دسته طبقه‌بندی شود.

در حالتی که شدت جریان حجمی گاز بسیار کم باشد (که رابطه (4) آن را نشان می‌دهد)، نیروی وارد بر حباب صفر است و قطر حباب از تساوی نیروی شناوری (که تمایل دارد حباب را از نازل خارج کند) و نیروی کشش سطحی (که تمایل دارد حباب را روی نازل نگه دارد) محاسبه می‌شود. به این ترتیب، قطر حباب از رابطه (5) به دست می‌آید .

(4)                                                                                                                 

(5)                                                                                                            

 در حالتی که شدت جریان‌های حجمی گاز متوسط باشد و رابطه (6) معتبر باشد، و رژیم جریان آرام (Re<2100) باشد، قطر حباب‌ها بزرگتر از حالت قبلی خواهد بود. در این حالت، اگرچه حباب‌ها تقریباً یکنواخت ایجاد می‌شوند، اما به شکل زنجیرهایی به هم متصل هستند و به طور مجزا از یکدیگر نیستند. در این صورت، قطر حباب‌های تولیدی را می‌توان از رابطه (9) محاسبه کرد.

(6)                                                                                                                     

(7)                                                                                                                           

(8)                                                                                                                                                  

(9)                                                                                                                         

در شدت جریان‌های حجمی بسیار زیاد گاز، زمانی که عدد رینولدز (N_(Re_0)) در محدوده 10000 تا 50000 قرار دارد، گاز به صورت جت از نازل خارج شده و پس از فاصله‌ای مشخص به صورت حباب در می‌آید. در این حالت، حباب‌ها کوچکتر از حالت‌های قبلی بوده و اندازه آنها یکنواخت نمی‌باشد. برای محاسبه قطر حباب‌ها در این شرایط، می‌توان از رابطه (10) استفاده نمود.

(10)                                                                                                                                    

برای تعیین زمان تماس حباب گاز با ماده بودارکننده، که نشان‌دهنده زمان لازم برای حرکت یک حباب از عمق ستون مایع درون مخزن ماده بودارکننده به سطح است، می‌توان از سرعت پایدار حباب در حرکت به سمت بالا و ارتفاع ستون مایع در مخزن استفاده کرد. هنگامی که یک حباب گاز در یک مایع حرکت می‌کند، ابتدا شتاب می‌گیرد تا به سرعتی ثابت برسد که به آن سرعت پایدار یا حدی گفته می‌شود. پس از آنکه به این سرعت رسید، حباب با همان سرعت ثابت و بدون تغییر به حرکت خود ادامه می‌دهد. در این وضعیت، بر اساس قانون دوم نیوتن، نیروی خالصی که به حباب وارد می‌شود برابر با صفر است. نیروهای مؤثر بر حباب در این شرایط عبارتند از:

نیروی گرانش: نیرویی که ناشی از جاذبه زمین بر حباب گاز وارد می‌شود.

(11)                                                                                                                

نیروی شناوری: نیرویی که از طرف سیال ساکن بر حباب گاز در سیال وارد می‌شود.

(12)                                                                                                              

نیروي مقاوم در مقابل حرکت: نیرویی که در اثر حرکت حباب گاز و سیال نسبت به هم، بر حباب گاز وارد شده و جهت آن در خلاف جهت حرکت حباب گاز است.

(13)                                                                                                                            

ضریب نیروي مقاوم  تابعی از عدد بدون بعد رینولدز و شکل هندسی جسم غوطه ور می باشد. براي حالتی که حباب گاز کروي است روابط تجربی (14) و (15) برای محاسبه ضریب نیروي مقاوم ارائه شده اند. عدد رینولدز در این حالت از رابطه (16) بدست می آید.

(14)                                                                                                  

(15)                                                               

(16)                                                                                                                            

حال با توجه به اینکه در شرایط سرعت حد، برآیند نیروهاي وارد بر حباب صفر است خواهیم داشت:

(17)                                                                                                 

(18)                                                                                     

(19)                                                                                           

و در نتیجه رابطه (20) براي سرعت حد بدست می آید که در ادامه به ساده سازي آن خواهیم پرداخت:

(20)                                                                                                                             

با جایگذاري سطح مقطعِ در معرض جریان و حجم حباب کروي به ترتیب از روابط (21) و (22) در رابطه (20)، رابطه (23) براي سرعت حد بدست می آید.

(21)                                                                                                                                      

(22)                                                                                                                         

(23)                                                                                                            

حال با معلوم بودن ارتفاع مایع درون مخزن، زمان تماس از رابطه (24) قابل محاسبه خواهد بود:

(24)                                                                                                                           

شرح فرآیند تولید

در این تحقیق، یک روش جدید برای بودار کردن بهینه گاز طبیعی به‌صورت کنارگذر با استفاده از یک ستون حبابی استوانه‌ای (شکل1) معرفی شده است. جریان درون ستون از دو فاز گاز و مایع تشکیل شده است. گاز طبیعی از پایین ستون وارد می‌شود و مایع بودارکننده به‌صورت ساکن در داخل ستون قرار دارد. سیستم پیشنهادی برای بهینه‌سازی فرآیند بودار کردن، یک ستون حبابی استوانه‌ای به قطر 70 سانتی‌متر و ارتفاع 5/1 متر است. دما در طول ستون ثابت در نظر گرفته شده و ستون به‌صورت همدما عمل می‌کند. در کف ستون از ده اسپارجر (توزیع‌کننده گاز) با قطر سه میلی‌متر و فاصله 5 سانتی‌متر از یکدیگر استفاده شده است.

 

 

شکل1- المان حباب گاز به صورت پوسته کروي

معادلات حاکم

سیستم ستون حبابی گاز شهری و مایع بودارکننده به صورت دوفازی و دو بعدی در حالت ناپایدار شبیه‌سازی می‌شود. این مدل‌سازی بر اساس روش اولر-اولر انجام می‌گیرد. در این تحقیق، از ترشری بوتیل مرکاپتان به عنوان ماده بودارکننده استفاده شده است. در این حال معادله معادله بقای جرم به شکل رابطه (25) بدست می‌آید:

(25)                                                                     

با میل دادن حجم المان به سمت صفر (∆r→0)، معادله دیفرانسیل به صورت رابطه (3-35) در می‌آید، که یک معادله دیفرانسیل پاره‌ای می‌باشد و برای حل آن به دو شرط مرزی در جهت شعاع و یک شرط اولیه برای زمان نیاز است. شرایط مرزی به صورت روابط (26)، (27) و شرط اولیه رابطه (28) در نظر گرفته شده‌اند که در آن C_(A_s) غلظت جزء نفوذکننده روی سطح حباب است.

(26)                                                                                              

(27)                                                                                             

(28)                                                                                  

 

معادله (27) در نقطه  تعریف نشده است ( به این دلیل که  در مخرج کسر قرار دارد) ولی از طرف دیگر می دانیم که در  غلظت داراي مقداري مشخص است. پس براي بدست آوردن حل تحلیلی معادله (25) می‌توان شرط مرزي (27) را به صورت (29) نوشت:

(29)                                                                                                    

با استفاده از روش تحلیلی جداسازی متغیرها، پس از همگن نمودن شرایط مرزی انجام شده است. حاصل این حل رابطه (30) برای توزیع غلظت در حباب گاز بر حسب شعاع حباب و زمان می باشد.

 (30)                                                                                                      

در ستون‌های حبابی، نیروهای حجمی شامل نیروهای شناوری، جرم مجازی، درگ و پراکندگی توربولانسی می‌باشند که در معادله بقای ممنتوم به عنوان جمله چشمه محسوب می‌شوند. همچنین، انتقال جرم ماده بودارکننده از فاز مایع به گاز از طریق ṁ_pq در معادله (32) در نظر گرفته شده است.

(31)

(32)                                                                                                                  

 

در فرآیند تزریق ماده بودارکننده در حالت گاز، مهم‌ترین جنبه، محاسبه میزان کل نفوذ ماده به داخل حباب گاز در طول زمان تماس حباب با ماده بودارکننده است. برای انجام این محاسبات از رابطه (33) استفاده می‌شود. شار نفوذی و سطح مقطع حباب که به طور عمود بر جهت شار است، به ترتیب از روابط (34) و (35) محاسبه می‌گردند. پس از جایگذاری مقادیر مورد نیاز و انجام محاسبات ریاضی، می‌توان میزان کل نفوذ به داخل حباب گاز در بازه زمانی [0, t_c] را از رابطه (36) به دست آورد. با اعمال معادله کلی بقای جرم از زمان آغاز تا زمان t0 برای یک حباب گاز، رابطه (37) به دست می‌آید. با استفاده از این معادله و با توجه به معادله ریاضیاتی (38)، رابطه (39) برای محاسبه غلظت متوسط ماده A در حباب گاز به دست می‌آید. همانطور که در معادله (39) مشاهده می‌شود، برای محاسبه غلظت متوسط ماده در حباب گاز، سه پارامتر قطر حباب، ضریب نفوذ و زمان تماس فازها باید مشخص شوند.

(33)                                                                                                                 

(34)                                                                                                      

(35)                                                                                                                        

(36)                                                                              

 

(37)                                                                                                                     

(38)                                                                                                             

(39)                                                                           

ضریب نفوذ مولکولی یکی از ویژگی‌هایی است که به عوامل مختلفی همچون دما، فشار و ویژگی‌های اجزای تشکیل‌دهنده سیستم چند جزئی بستگی دارد. رایج‌ترین روش برای محاسبه این ضریب در سیستم‌های گازی، استفاده از تئوری جنبشی گازها است. طبق این تئوری، روابطی برای محاسبه ضریب نفوذ در مخلوط‌های گازی در فشار پایین پیشنهاد شده است.

برای ساده‌سازی، فرض شده که مولکول‌های گاز به صورت کره‌های صلب در نظر گرفته شده‌اند و هیچ‌گونه نیروی بین مولکولی میان آن‌ها وجود ندارد. بدین ترتیب، برخورد میان مولکول‌ها به‌صورت کاملاً الاستیک فرض می‌شود. با این فرضیات، رابطه‌ای برای یک مخلوط گاز ایده‌آل شامل اجزای سازنده و ایزوتوپ‌های آن‌ها ارائه شده است که در رابطه (40) قابل مشاهده است.

در این رابطه، پارامتر D_(aa^*) ضریب نفوذ خودی نامیده می‌شود. همچنین λ طول مسیر آزاد متوسط جز componenta و u سرعت متوسط این جز هستند که از روابط (41) و (42) محاسبه می‌شوند. با جایگزینی u و λ در روابط مربوطه، رابطه (43) برای ضریب نفوذ به‌دست می‌آید.

یکی از فرضیات ساده‌سازی در به‌دست آوردن رابطه (43) نادیده گرفتن نیروهای بین‌مولکولی است. در سال 1949، هیچفلدر و همکارانش با استفاده از تئوری پتانسیل Lennard-Jones رابطه‌ای دیگر برای مولکول‌های غیرقطبی ارائه دادند که در آن نیروهای بین‌مولکولی به‌صورت نیروهای جاذبه و دافعه در نظر گرفته می‌شود.

طبق این تئوری، مولکول‌ها زمانی که به یکدیگر نزدیک یا از هم دور می‌شوند، یک پتانسیل شیمیایی بین آن‌ها ایجاد می‌شود که از رابطه (44) محاسبه می‌شود. در این رابطه، σ_AB و ε_AB پارامترهای معادله Lennard-Jones هستند که به ترتیب قطر برخورد و انرژی تداخل مولکولی برای سیستم دو جزئی A-B را نشان می‌دهند. همچنین رابطه (45) برای محاسبه ضریب نفوذ با استفاده از این تئوری ارائه شده است.

Ω_D یکی دیگر از پارامترهای مدل Lennard-Jones است که به عنوان collision integral شناخته می‌شود. این پارامتر تابعی از عبارت بی‌بعد α = (kT/ε_AB) است که خود از یک سری داده‌های تجربی در مراجع مختلف قابل دسترسی می‌باشد. به منظور تسهیل در انجام محاسبات رایانه‌ای، این داده‌های تجربی برای محدوده‌ای از 0.7 تا 1.9 برای عدد بی‌بعد α، به صورت یک معادله منحنی و در قالب رابطه (46) ارائه شده است.

مقادیر قطر برخورد و انرژی تداخل مولکولی معمولاً تنها برای تعداد محدودی از گازهای خالص در دسترس هستند. در صورت عدم وجود داده‌های تجربی، می‌توان از روابط (47) و (48) برای محاسبه این دو پارامتر استفاده کرد. همچنین برای یک سیستم دو جزئی، پارامترهای σ_AB و ε_AB از روابط (49) و (50) محاسبه می‌شوند.

(40)                                                                                                                                  

(41)                                                                                                                               

(42)                                                                                                                                

(43)                                                                                                              

(44)                                                                                       

(45)                                                                                                           

(46)                                         

(47)                                                                        

(48)                                                                                                 

(49)                                                                                                                                       

(50)                                                                                                                                

غلظت ماده بودارکننده در سطح حباب گاز معادل با غلظت تعادلی است که به فشار بخار اشباع مایع در دمای مشخص مربوط می‌شود. برای محاسبه فشار بخار اشباع مواد مایع در دماهای مختلف، روابط تجربی متعددی وجود دارد که به‌صورت تابعی از دما در منابع مختلف ذکر شده است.

(51)                                                                             

(52)                                                                                                              

استفاده از مدل حباب گاز و روش حدس و خطا برای تعیین نقطه تنظیم در بودارکننده کنارگذر حالت گاز، نیازمند طراحی اولیه دستگاه بودارکننده براساس نیاز تزریق است. در این طراحی، با استفاده از داده‌های ایستگاه گازرسانی برای مقادیر حداکثر و حداقل مصرف گاز طبیعی، تعداد نازل‌های مورد نیاز و قطر آنها به کمک الگوریتم زیر محاسبه می‌شود. سپس کنترل‌کننده می‌تواند از روش حدس و خطا برای شرایط مختلف عملیاتی استفاده کند تا این مقادیر را تعیین نماید.

محاسبه دبی مورد نیاز برای حداقل تزریق در کمترین میزان مصرف گاز طبیعی در طول سال.

محاسبه قطر نازل با استفاده از دبی لازم برای حداقل تزریق مورد نیاز، طبق رابطه (6)

تعیین حداکثر دبی مجاز قابل عبور از یک نازل با قطر مشخص با استفاده از روابط (7) و (8) برای جریان آرام (Re<2100).

محاسبه میزان تزریق ماده بودارکننده به خط در حداکثر دبی عبوری از یک نازل با قطر معین با استفاده از مدل حباب گاز.

مقایسه میزان تزریق در حداکثر دبی عبوری از یک نازل و میزان تزریق حداکثر مورد نیاز ایستگاه با توجه به مصرف گاز طبیعی در طول سال.

افزایش تعداد نازل‌ها با قطر معین در صورت کافی نبودن میزان تزریق با حداکثر دبی عبوری از یک نازل.

نرم افزار

برای دستیابی به اهداف پژوهش، از روش عددی با استفاده از نرم‌افزار ANSYS بهره گرفته شده است. اولین مرحله در تحلیل اجزای محدود یک سیستم سازه‌ای، ایجاد مدل هندسی دقیق آن است. به این ترتیب، باید توانست مدل هندسی موردنظر را به‌درستی طراحی کرده، تغییرات لازم را اعمال کرد، و بخش‌های غیرضروری را حذف نمود. پس از انجام اصلاحات، مدل هندسی نهایی آماده خواهد شد.

مش بندی مدلسازی

پس از اتمام مدل‌سازی هندسی، مش‌بندی اولیه با تنظیمات پیش‌فرض نرم‌افزار انجام می‌گیرد.در این مرحله، ابعاد و اندازه نودها و المان‌های مختلف شبکه مورد ارزیابی قرار می‌گیرند. در هر گام، نرخ جریان خروجی گاز از شیر محاسبه می‌شود. این ارزیابی به این دلیل انجام می‌گیرد که تغییر اندازه سلول‌ها و نودهای شبکه‌بندی می‌تواند بر حل معادلات جریان سیالات تأثیر بگذارد. نتایج مربوط به نرخ جریان جرمی بر اساس تغییر تعداد شبکه‌های به‌کاررفته در مدل‌سازی نشان داد که بعد از 3414871 سلول، نرخ جریان خروجی به یک روند ثابت نزدیک شده است. این موضوع نشان می‌دهد که مش‌بندی نهایی مدل شامل 3414871 سلول، 7815612 وجه و 1205838 نود است. در مرحله بعد، با تعریف شرایط مرزی و اعمال معادلات حاکم، شبیه‌سازی و تحلیل سیستم انجام خواهد شد.

تجزیه و تحلیل نتایج

مقدار ماده بودارکننده لازم برای افزودن به گاز طبیعی به‌منظور دستیابی به غلظت مناسب، همراه با نمودار نشان‌دهنده میزان گاز موردنیاز برای تزریق به‌صورت حباب به مخزن ماده بودارکننده، در شکل‌های2 و3 نمایش داده شده است. شایان ذکر است که شرایط عملیاتی بر اساس داده‌های ارائه‌شده در جدول1 تعیین شده‌اند.

 

 

 

جدول1- شرایط مربوط به تعیین میزان ماده بودارکننده

پارامتر	مقدار
ماده بودارکننده	اتیل مرکاپتان
فشار در ایستگاه گاز (فشار ورودی)	250 (psi)
دما در ایستگاه گاز	298 درجه کلوین (25 درجه سلسیوس)
دما در محل مصرف	298 درجه کلوین (25 درجه سلسیوس)
ارتفاع اولیه مخزن ماده بودارکننده	1 متر
قطر مخزن ماده بودارکننده	80 سانتی متر
قطر داخلی نازل	1 میلی متر
تعداد نازل	2 عدد

 

 

شکل2- میزان ماده بودارکننده مورد نیاز ایستگاه نسبت به زمان

 

 

شکل3- نمودار میزان دبی گاز مورد نیاز ایستگاه گاز

طبق نتایج نمایش داده‌شده در شکل‌های مذکور، در بالاترین میزان مصرف گاز ایستگاه، بالاترین دبی گاز در خط کنارگذر حدود 69 میلی‌لیتر در دقیقه به دست آمده است. همانطور که در بحث فرآیند و سیستم کنترل بودارکننده گاز بیان شده، عملکرد سیستم کنترل نه تنها به عنصر کنترل نهایی، بلکه به نحوه انتقال جرم در فرآیند نیز بستگی دارد. به عبارت دیگر، برای اجرای مؤثر سیستم کنترل، باید مدلی برای پیش‌بینی رفتار فرآیند در دسترس باشد.

همچنین، همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، سرعت جریان گاز در شرایط دما و فشار 250 psi و 25 درجه سانتی‌گراد در ایستگاه‌های TBS و CGS اندازه‌گیری شده است. برای محاسبه مقدار ماده بودارکننده مورد نیاز جهت تزریق به لوله گاز، ابتدا داده‌ها با شرایط دما و فشار در نقطه مصرف (psi250 و 25 درجه سانتی گراد) هماهنگ شده و سپس با غلظت ماده بودارکننده در نقطه مصرف (ppmv4) ضرب می‌شوند. کاهش سرعت جریان گاز طبیعی و تغییرات محاسبه‌شده برای غلظت ماده بودارکننده (اتیل مرکاپتان) در شکل4 نشان داده شده است.

 

 

شکل4- نمودار مصرف گاز طبیعی نسبت به ماده بودار کننده مورد نیاز در مدل

در ادامه به بررسی اثر تغییر دبی ورودی گاز بر غلظت خروجی مایع بودار کننده در گاز طبیعی می پردازیم. این موضوع در شکل5 نشان داده شده است.

 

شکل5- تاثیر دبی ورودی گاز بر غلظت خروجی مایع بودار کننده نسبت به زمان

با توجه به شکل5 مشاهده می‌شود که با افزایش سرعت گاز ورودی، دبی گاز ورودی نیز افزایش یافته و در نتیجه سطح مؤثر انتقال جرم بیشتر می‌شود. این تغییرات باعث افزایش غلظت ماده بودارکننده، به ویژه اتیل مرکاپتان، در خروجی می‌گردد.

 مدلسازی حباب گاز

قطر حباب گاز یکی از پارامترهای مهم دیگری است که باید بررسی شود. نحوه محاسبه قطر حباب در فصل سوم به طور کامل توضیح داده شده است. همانطور که اشاره شد، قطر حباب گاز عامل تعیین‌کننده در محاسبه سطح تماس دو فاز است و علاوه بر وابستگی به خواص فیزیکی فازهای گاز و مایع، به شرایط عملیاتی و نوع جریان نیز بستگی دارد. قطر حباب گاز از عوامل اصلی در محاسبات انتقال جرم با استفاده از مدل ریاضی حباب گاز است. به همین دلیل، برای اطمینان از دقت روابط مربوط به محاسبه قطر حباب گاز و با توجه به نقشی که این پارامتر در تعیین زمان تماس فازها و در رابطه (37) ایفا می‌کند، بررسی این روابط در فرآیند مدل‌سازی حباب ضروری است. از آنجا که خروجی نهایی مدل حباب گاز، به ویژه رابطه (36)، مدلی برای پیش‌بینی رفتار فرآیند بودارکننده کنارگذر در حالت گاز است، این فرآیند باید در مقیاس آزمایشگاهی طراحی و شبیه‌سازی شود. در جدول2 داده های بدست آمده مربوط به قطر حباب های گاز در 3 دبی حجمی مختلف ارائه شده اند. 

جدول2- نتایج بدست آمده قطر حباب گاز (میزان نفوذ) در دبی‌های مختلف

برای محاسبه توزیع اندازه حباب‌ها در طول ستون، قطر حباب‌های تشکیل‌شده در ورودی اسپارجرها با استفاده از معادلات دلنوج تعیین گردید و توزیع اولیه حباب‌ها بر اساس قطر ورودی به صورت محاسباتی انجام شد. شکل6 روند تغییرات اندازه حباب‌ها در برج را در شرایط پایدار نشان می‌دهد. توزیع اندازه حباب‌ها به پنج گروه مختلف تقسیم‌بندی شده است. در شکل (الف)، گروهی از ریزترین حباب‌ها که اندازه حباب‌های ورودی را نشان می‌دهند، در بخش پایین برج و نزدیک توزیع‌کننده‌ها قرار دارند و با افزایش ارتفاع و بزرگ‌تر شدن حباب‌ها، تعداد آنها به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. در شکل‌های (ب) و (پ)، حباب‌ها سهم بیشتری از اندازه‌ها در طول برج دارند و به وضوح مشاهده می‌شود که با حرکت حباب‌ها به سمت بالا، ابتدا وارد گروه اندازه‌ای چهارم و سپس سوم می‌شوند. در نهایت، در شکل‌های (ج) و (د)، بیشتر حباب‌ها در دیواره برج شکل می‌گیرند و در مسیر اصلی حرکت فاز گاز حضور ندارند، که نشان می‌دهد حباب‌هایی که در نزدیکی دیواره برج باقی می‌مانند، فرصت پیدا می‌کنند تا اندازه خود را افزایش دهند و به گروه‌های بزرگ‌تر وارد شوند.

 

(الف)

 

(ب)

 

(پ)

 

(ج)

 

(د)

شکل6- توزیع اندازه حباب‌ها در طول برج در حالت پایا در دبی 5000 مترمکعب بر ساعت

 

نتیجه‌گیری

این پژوهش به بررسی فرآیند دستگاه بودارکننده گاز طبیعی در دو حالت مایع و گاز پرداخته است و نتایج زیر را به دنبال داشت:

در حداکثر میزان مصرف گاز ایستگاه، بیشترین دبی گاز در خط کنارگذر حدود 69 میلی‌لیتر بر دقیقه به‌دست آمده است، که نشان می‌دهد عملکرد سیستم کنترل علاوه بر وابستگی به عنصر کنترل نهایی، به مکانیزم فرآیند انتقال جرم نیز مرتبط است و بدون مدلی برای پیش‌بینی رفتار فرآیند، اجرای سیستم کنترل غیرممکن خواهد بود. توزیع اندازه حباب‌ها در طول برج در حالت پایا و دبی 5000 مترمکعب بر ساعت نشان داد که ریزترین حباب‌ها در کف برج و نزدیک توزیع‌کننده‌ها پراکنده هستند و با افزایش ارتفاع برج، اندازه حباب‌ها بزرگتر شده و به‌طور ناگهانی از تعداد آن‌ها کاسته می‌شود. حباب‌های بزرگتر عمدتاً در دیواره برج تشکیل می‌شوند و از مسیر اصلی حرکت فاز گاز خارج می‌گردند که نشان‌دهنده این است که حباب‌هایی که نزدیک دیواره برج قرار دارند، فرصت افزایش اندازه را به‌دست می‌آورند اما این دسته از حباب‌ها تأثیر کمتری بر فرآیند انتقال جرم دارند.

 

References

 [1]. Boldyryev, S., Kuznetsov, M., Ryabova, I., Krajačić, G., & Kaldybaeva, B. (2023). Assessment of renewable energy use in natural gas liquid processing by improved process integration with heat pumps. E-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, 5, 100246. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.prime.2023.100246

[2]. Louvet, Y., Ahlgrimm, S., Pag, F., & Vajen, K. (2024). Combining expansion turbines, heat pumps, and low-temperature solar heat for enhanced primary energy savings in gas pressure regulating stations. Solar Energy Advances, 4, 100075. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.seja.2024.100075

[3]. Jia, X., Cui, H., Qin, S., Ren, J., Zhang, Z., An, Q., Zhang, N., Yang, J., Yang, Y., Fan, G., & Pan, S. (2024). Characterizing and decoding the key odor compounds of Spirulina platensis at different processing stages by sensomics. Food Chemistry, 461, 140944. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.140944

[4]. Li, L., Liu, Y., Kong, Y., Zhang, J., Shen, Y., Li, G., Wang, G., & Yuan, J. (2023). Relating bacterial dynamics and functions to greenhouse gas and odor emissions during facultative heap composting of four kinds of livestock manure. Journal of Environmental Management, 345, 118589. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118589

 

 

			مدل آزمایش
3.34	3.18	5000	1
5.22	4.98	10000	2
6.49	5.12	15000	3

---