Experimental investigation of sulfur compounds removal from synthetic quaternary gas condensate system using ultrasound assisted oxidative desulfurization (UAOD) method

Subject Areas : Others

Ameneh Taghizadeh ¹ , مریم آسمانی ^{2 *} , Fereidoon Esmaeilzadeh ³ , Abolhasan Ameri ⁴

1 - Department of Chemical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran
2 - Department of Chemical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran
3 - Department of Chemical Engineering; School of Chemical, Petroleum and Gas Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran
4 - Department of Chemical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran

Received: 2024-11-26 Accepted : 2025-01-10 Published : 2025-01-20

Keywords: Ultrasound, Gas condensate, Experimental design. ,

Abstract :

In addition to natural gas, gas condensates are also produced from gas reservoirs. The presence of any of the pollutants, such as sulfur compounds, can cause problems in downstream industries or damage the environment. In this research, the desulfurization of a synthetic quaternary gas-condensate system containing of normal heptane with different combinations of tert-butyl mercaptan (aliphatic thiol), dipropyl sulfide (aliphatic sulfide), and benzo thiophene (aromatic thiophene) in the range of 0-3000 ppm were treated using UAOD process. For this purpose, different operating variables including H₂O₂ (10- 70% v/v), CH₂O₂ (5- 70% v/v), H₃P(W₃O₁₀)₄ (1- 30% w/w), C₄H₁₀O (1- 30 % v/v) and sonication (5- 40 min) were examined upon the desulfurization efficiency. The design of the experiments was performed by the response surface method of the central composite design model. And then N, N-dimethylformamide solvent was used to extract oxidized sulfurous compounds from n-heptane. Residual sulfur was analyzed by ASTM D7039 standard method. Maximum desulfurization efficiency, 99.92%, for C₄H₁₀S= 1105.99 ppm, C₆H₁₄S= 2252.50 ppm, C₈H₆S= 2965.48 ppm in 20 mL n-heptane was obtained at H₂O₂= 23.57% v/v, CH₂O₂= 49.27% v/v, H₃P(W₃O₁₀)₄= 21.15% w/w, C₄H₁₀O= 24.56% v/v and sonication time= 21.17 min. Additionally, an empirical model was proposed to predict desulfurization efficiency with an error of less than 0.1%.

References:

H. Topsøe, B.S. Clausen, F.E. Massoth, (1996) https://doi.org/10.1007/978-3-642-61040-0
_1. 2. X . Ma, K. Sakanishi, I. Mochida, August 08, 1996, Volume 35, Issue 8Pages 2487-2816
3.
L. Vradman, M. Landau, M. Herskowitz, (1999). https://doi.org/10.1016/S0920-5861(98)00356-3 4.
S. Mehran, B. Amarjeet, M. Argyrios. (2007).https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2007.07.003. 5.
T. Chen, Y. Shen, W. Lee, C. Lin, M. Wan. (2013). Cleaner Production, Vol. 39, pp: 129-136. 6.
M.W. Wan, T.F. Yen. (2007). https://doi.org/10.1016/j.apcata.2006.12.08 7.
M.F. Ali, A. Al-Malki, B. El-Ali, G. Martinie, M.N. Siddiqui. Fuel, 2006, 85, (10-11), pp. 1354-1363 8.
H. Mei, B.W. Mei, T.F. Yen. (2003). https://doi.org/10.1016/S0016-2361(02)00318-6. 9.
T. C. Chen, Y. H. Shen, W. J. Lee, C.C. Lin, M. W. cleaner production, 2013, 39, pp. 129-136 10. S. Liu, Z. Liu, H. Zhu, Z. Wang, J. Guo, X. Zhang, H. Yu, X. Yue, P. Ning, B. Li. (2023). https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.109770
11.
A. Taghizadeh, M. Asemani, F. Esmaeilzadeh, A. Ameri. (2023) https:// doi.org/10.1021/acsomega.3c05193

Full-Text:



 

 

 

بررسی تجربی حذف ترکیبات گوگردی از سیستم میعانات گازی گوگردی سنتزی چهارتایی با استفاده از روش گوگردزدایی اکسایشی درحضور امواج فراصوت

آمنه تقی‌زاده1، مریم آسمانی1،*، فریدون اسماعیل‌زاده2، ابوالحسن عامری1

1گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی مهندسی 2، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ایران 

 2گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، نفت و گاز، دانشگاه شیراز، ایران

[e-mail]

 

 

1- مقدمه 

معمولا از چاه‌های گازی علاوه‌بر گاز، میعانات گازی نیز استحصال می­شود که در اغلب موارد گاز و میعانات گازی تولید شده دارای ترکیبات گوگردی چند برابر حد مجاز برای فعالیت‌های صنعتی و مصارف دیگر هستند و بر این اساس حذف ترکیبات گوگردی از میعانات گازی امری اجتناب ناپذیر است، لذا، ابداع و استفاده از روشی نوین برای گوگردزدایی مستقیم از میعانات گازی ضرورت دارد. با توجه به اهمیت سولفورزدایی و بهبود روش‌های موجود صنعتی، مطالعات در این زمینه همچنان ادامه دارد و روش‌های مختلفی نیز برای حذف سولفور بیان شده است که عبارتند از: هیدرودسولفوریزاسیون¹، هیدرودسولفوریزاسیون عمیق²، سولفورزدایی زیستی³، سولفورزدایی اکسایشی⁴ و سولفورزدایی اکسایشی در حضور امواج فراصوت⁵. سولفورزدایی که امروزه در صنعت انجام می‌شود، هیدرودسولفوریزاسیون است که این فرآیند نیازمند دمای بالا (بیشتر از 400 درجه سانتیگراد)، فشار هیدروژن بالا (بیشتر از 1000 اتمسفر)، استفاده از کاتالیزگر‌های فلزی، راکتورهای بزرگ، با زمان واکنش طولانی می‌باشد]1[. هزینه‌های عملیاتی روش هیدرودسولفوریزاسیون زیاد است و قادر به حذف ترکیبات آروماتیک گوگردی نیز نمی‌باشد]2[. روش هیدرودسولفوریزاسیون عمیق همانند روش هیدرودسولفوریزاسیون می باشد که با انجام اصلاحاتی مانند استفاده زیادتر از مقدار کاتالیزگر فعال، زمان بیشتر انجام فرآیند و کار در دما و فشار بالاتر بر روی این روش می تواند علاوه بر ترکیبات آلیفاتیک مقادیر محدودی از ترکیبات آروماتیک گوگردی را حذف کند، از معایب هیدرودسولفوریزاسیون عمیق انجام عملیات تحت دما و فشاربالا، نیازمند احداث واحد تولید هیدروژن به دلیل مصرف زیاد هیدروژن، کاهش بازده روش با افزایش ترکیبات قوی آروماتیک گوگردی، کاهش عمر کاتالیزگر، هزینه زیاد عملیات می‌باشد]3[. سولفورزدایی زیستی در دما و فشار پایین و در حضور میکروارگانیسم هایی صورت می‌گیرد که توانایی تخریب ترکیبات گوگردی را دارند. گوگردزدایی در نفت خام به طور مستقیم با انتخاب گونه‎‌های میکروبی مناسب امکان پذیر می‌شود و به دو روش گوگردزدایی زیستی هوازی و گوگردزدایی زیستی بی هوازی قابل انجام است]4[. عدم تجاری سازی فناوری، واکنش‌های ناپایدار، زیاد بودن مدت زمان عملیات از معایب آن می‌باشد]5[. روش سولفورزدایی اکسایشی، شامل واکنش شیمیایی بین یک ماده اکسید کننده و گوگرد است که عدم نیاز به فشار و دمای بالا، توانایی اکسید کردن ترکیبات گوگردی از مزایای آن می‌باشد]6[. همچنین کاهش کمی و کیفی سوخت توسط اکسید کننده‌ها، هدر رفتن ترکیبات با ارزش سوخت با انتخاب نامناسب حلال از معایب آن می‌باشد]7[. سولفورزدایی اکسایشی در حضور موج‌دهی فراصوت (UAOD) روشی جدیدی است که باعث شده است واکنش اکسیداسیون سریع‌تر، ایمن‌تر و اقتصادی‌تر انجام شود. فرآیند UAOD تحت شرایط عملیاتی متعادلی مانند دمای محیط و فشار اتمسفری انجام می شود و منجر به حذف انتخاب‌پذیر ترکیبات گوگردی از هیدروکربن‌های سوخت می‌شود]8[. توانایی حذف ترکیبات گوگردی و همچنین ترکیبات آروماتیک گوگردی در شرایط فشار و دمای پایین، تبدیل سولفور به سولفون، زمان واکنش اندک، بدون مخاطرات شیمیایی و محصولات جانبی مخاطره‌آمیز و توانایی بازیابی کاتالیزگر از مزایای این روش می‌باشد. بنابراین به هیدروژن و کاتالیزگر گران قیمت، به همراه راکتور بزرگ نیاز نیست. کلیات انجام روش UAOD بدین گونه است که ابتدا مخلوط اکسید کننده که از ترکیب چند ماده شامل اسید و اکسید کننده تهیه شده است را به مایع هیدروکربنی اضافه کرده و تحت دمای خاصی با میزان انرژی مشخص در مدت زمان معین موج‌دهی فراصوت انجام می‌شود. پس از سردسازی و جداسازی خودبه خودی فازی آلی و آبی، حلال به مخلوط اضافه می‌گردد و ترکیبات گوگردی اکسید شده توسط حلال جدا شده و وارد فاز آبی می‌شود]9[. در این روش دو پارامتر اساسی مؤثر بر بازدهی گوگردزدایی وجود دارد که عبارتند از: انتخاب ترکیب اکسید کننده مناسب و انتخاب حلال مناسب می‌باشد. روش  UAODبرای حذف ترکیبات گوگردی به عنوان روشی مناسب و کارآمد مطرح گردیده است]10[. تقی‌زاده و همکارانش سه نمونه میعانات گازی سنتزی با ترکیبات گوگردی به ترتیب ترت بوتیل مرکاپتان (نماینده آلیفاتیک ازنوع تیول)، دی پروپیل سولفید (نماینده آلیفاتیک از نوع سولفید) و بنزو تیوفن (نماینده آروماتیک ها) تهیه کردند و با استفاده از روش گوگردزدایی اکسایشی به کمک موج‌دهی فراصوت (UAOD) موفق به حذف 93/99% حذف مرکاپتان، 63/99% حذف سولفید و 86/99% حذف تیوفن شدند.  همچنین پارامترهای مختلفی جهت کاهش ترکیبات گوگردی در فرآیند UAOD مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که پراکسید هیدروژن، فرمیک اسید، فسفو تنگستیک اسید و ایزوبوتانول به ترتیب موثرترین اکسیدکنند، بهبود دهنده، کاتالیزور و عامل‌های انتقال فاز هستند[11]. پژوهش حاضر در ادامه این کار تعریف شده که هدف حذف ترکیبات گوگردی مختلف از یک مخلوط چهارجزیی میعانات گازی سنتزی با استفاده از فرآیند UAOD می باشد. تا کنون کاری جهت حذف گوگرد از میعانات گازی با ترکیبات گوگردی مختلف بصورت چهار جزیی با استفاده از روش UAOD صورت نگرفته است. 

۲- بخش تجربی

1-2- مواد شیمیایی مورد استفاده

در آزمایش‌ها مواد شیمیایی مورد استفاده شامل هیدروژن پراکسید (با خلوص30% حجمی) فرمیک اسید (با خلوص 99% حجمی)، فسفوتنگستیک اسید (خالص)، ایزوبوتانول (با خلوص 99% حجمی)، ترت بوتیل مرکاپتان (با خلوص 98% حجمی)، نرمال هپتان (با خلوص 99% حجمی)، دی پروپیل سولفید (با خلوص 98% حجمی)،  بنزو تیوفن (با خلوص 98% حجمی) و ان-ان- دی متیل فرمامید (با خلوص 8/99% حجمی) می‌باشند که همه مواد شیمیایی از شرکت مرک آلمان می‌باشند.

2-2- دستگاه­های مورد استفاده

دستگاه‌های مورد استفاده در این در پژوهش شامل: حمام موج‌دهی فراصوت مدل VCLEAN 1-L6 ساخت کشور ایران با تولید فرکانس 40 کیلوهرتز و توان 150 وات با تنظیم دما به کمک سیکل چرخشی آب به حجم 6 لیتر، هیتر همزن مغناطیسی مدل MSH basic ساخت کشور آلمان با توان همزن مغناطیسی و گرمایش به صورت دما ثابت با شار حرارتی ثابت در گستره کاری شار حرارتی تا 400 وات و محدوده سرعت همزدن تا 2000 دور بر دقیقه، ترازوی دقیق آزمایشگاهی مدل سارتوریوس ساخت کشور آلمان با دقت 1/0 میلی‌گرم، دستگاه آنالیز سولفور کل Sindie 7039 G3 مدل Xos ساخت کشور آمریکا با فرکانس 63-47 هرتز ، قدرت 200 تا 240 جریان متناوب ولتاژ و جریان 6 آمپر، نمونه گیر با دقت ppm 01/0 و سایر وسایل شیشه‌ای از جنس پریکس می‌باشند[11[.

2-3- طراحی آزمایش

جدول 1 نوع و مقادیر متغیرها جهت انجام آزمایش ها را نشان 

می‌دهد. با توجه به اهمیت پارامترها، فاکتورهایی که در جدول 1 نشان داده شده‌اند متغیرهای مستقل می‌باشند. مقادیر مرکاپتان(X1)، سولفید(X2)، تیوفن(X3)، اکسید کننده (هیدروژن پراکساید(X4))، بهبود دهنده (فرمیک اسید(X5))، کاتالیزگر فسفوتنگستیک اسید(X6)، عامل انتقال دهنده فازی ایزو بوتانول(X7) و زمان موج‌دهی فراصوت(X8) به عنوان فاکتورهای متغیر در نظر گرفته شده‌اند. در این پژوهش از نرم افزار Design Expert نسخه 13 استفاده شد. طراحی آزمایشات با انتخاب مدل سطح پاسخ⁶ روش طرح مرکب مرکزی⁷ و نوع 2/1 کسر (نقاط مکعبی نصف می‌شوند) با آلفای 2 انجام شد. شامل 8 متغیر و 5 سطح با کدهای (2-)، (1-)، (0)، (1+) و (2+) می‌باشد. تعداد آزمایشات در این مرحله 154 آزمایش شد که شامل 144 نقطه مکعبی (نقطه عاملی)، 16 نقطه محوری و 10 نقطه مرکزی می‌باشد. 

2-4- روش انجام اکسیداسیون ترکیبات گوگردی

با توجه به انواع ترکیبات گوگردی موجود در مایعات گازی که به دو دسته آلیفاتیک‌ها همانند تیول‌ها (مرکاپتان‌ها)، سولفید و دی‌سولفیدها و آروماتیک‌ها همانند تیوفن، بنزو تیوفن و دی‌بنزوتیوفن تقسیم می‌شوند، در این پژوهش از هر گروه، یک نماینده ترکیب گوگرددار انتخاب و سپس حذف مخلوط آن‌ها مورد بررسی قرار گرفت و بر این اساس یک نمونه سنتزی چهار جزیی ساخته شده است. نمونه سنتزی میعانات گازی چهار جزیی، شامل نرمال هپتان+ محدوده 0 الی ppm3000 ترت بوتیل مرکاپتان+ محدوده 0 الی ppm3000 دی پروپیل سولفید+ محدوده 0 الی ppm3000 بنزوتیوفن می باشد.

با توجه به طراحی آزمایش ارائه شده در جدول 1 ابتدا نمونه سنتزی شامل نرمال هپتان و مقادیر متغیری از ترت بوتیل مرکاپتان، دی پروپیل سولفید و بنزوتیوفن ساخته شده و به ظرف سونو راکتور منتقل شده است و به آن مقادیر متغیری از مخلوط اکسید کننده شامل هیدروژن پراکسید، فرمیک اسید، فسفوتنگستیک اسید و ایزوبوتانول مطابق با طراحی آزمایش اضافه شد(جدول 2 مقادیر ترکیبات 154 آزمایش انجام شده را 

 

---

[1]  Hydrodesulfurization (HDS)

[2]  Deep hydrodesulfurization (Deep HDS)

[3]  Biodesulfurization

[4]  Oxidative desulfurization (ODS)

[5]  Ultrasound Assisted Oxidative Desulfuration (UAOD)

[6]  Response Surface Methodolog )RSM(

[7]  Central Composite Design (CCD)

جدول 1. طراحی آزمایش به روش سطح پاسخ، طرح مرکب مرکزی با هشت متغیر در پنج سطح به منظور بررسی حذف مخلوط گوگردی از نمونه میعانات گازی
متغیر ها	بازده تغییرات	سطح و مقادیر آن ها
		2+	1+	0	1-	2-
مقدار گوگرد (از نوع ترت بوتیل مرکاپتان(X1))	ppm0-3000	3000	2250	1500	750	0
مقدار گوگرد (از نوع دی پروپیل سولفید (X2))	ppm 0-3000	3000	2250	1550	750	0
مقدار گوگرد (از نوع بنزو تیوفن (X3))	ppm 0-3000	3000	2250	1550	750	0
مقدار اکسید کننده (هیدروژن پراکسید (X4))	v/v70%-10	70	55	40	25	10
مقدار بهبود دهنده (فرمیک اسید (X5))	v/v70%-5	70	75/53	5/37	25/21	5
مقدار کاتالیزگر (فسفوتنگستیک اسید (X6))	w/w 30%-1	30	75/22	5/15	25/8	1
مقدار انتقال دهنده فازی (ایزو بوتانول (X7 ))	v/v30%-1	30	75/22	5/15	25/8	1
مدت زمان (X8)	min 5-40	40	25/31	5/22	75/13	5

 

 

جدول 2. نتایج حاصل از طراحی آزمایش برای حذف مخلوط گوگردی با روش اکسیداسیون فراصوت از نمونه میعانات گازی، به کمک روش پاسخ سطح طرح مرکب مرکزی
شماره	X1(ppm)	X2(ppm)	X3(ppm)	X4(%v/v)	X5(%v/v)	X6(%w/w)	X7(%v/v)	(دقیقه) X8	SER(GC4)%
1	750	750	750	25	25/21	25/8	25/8	13	93/96
2	2250	750	750	25	25/21	25/8	25/8	31	88/97
3	750	2250	750	25	25/21	25/8	25/8	31	86/97
4	2250	2250	750	25	25/21	25/8	25/8	13	93/97
5	750	750	2250	25	25/21	25/8	25/8	31	81/97
6	2250	750	2250	25	25/21	25/8	25/8	13	98/97
7	750	2250	2250	25	25/21	25/8	25/8	13	89/97
8	2250	2250	2250	25	25/21	25/8	25/8	31	09/98
9	750	750	750	55	25/21	25/8	25/8	31	16/97
10	2250	750	750	55	25/21	25/8	25/8	13	56/96
11	750	2250	750	55	25/21	25/8	25/8	13	33/96
12	2250	2250	750	55	25/21	25/8	25/8	31	75/97
13	750	750	2250	55	25/21	25/8	25/8	13	49/96
14	2250	750	2250	55	25/21	25/8	25/8	31	81/97
15	750	2250	2250	55	25/21	25/8	25/8	31	69/97
16	2250	2250	2250	55	25/21	25/8	25/8	13	29/97
17	750	750	750	25	75/53	25/8	25/8	31	03/98
18	2250	750	750	25	75/53	25/8	25/8	13	38/97
19	750	2250	750	25	75/53	25/8	25/8	13	11/97
20	2250	2250	750	25	75/53	25/8	25/8	31	21/98
21	750	750	2250	25	75/53	25/8	25/8	13	22/97
22	2250	750	2250	25	75/53	25/8	25/8	31	37/98
23	750	2250	2250	25	75/53	25/8	25/8	31	12/98
24	2250	2250	2250	25	75/53	25/8	25/8	13	10/98
25	750	750	750	55	75/53	25/8	25/8	13	79/96
26	2250	750	750	55	75/53	25/8	25/8	31	82/97
27	750	2250	750	55	75/53	25/8	25/8	31	51/97
									ادامه جدول 2
28	2250	2250	750	55	75/53	25/8	25/8	13	71/97
29	750	750	2250	55	75/53	25/8	25/8	31	59/97
30	2250	750	2250	55	75/53	25/8	25/8	13	86/97
31	750	2250	2250	55	75/53	25/8	25/8	13	47/97
32	2250	2250	2250	55	75/53	25/8	25/8	31	03/98
33	750	750	750	25	25/21	75/22	25/8	31	98/97
34	2250	750	750	25	25/21	75/22	25/8	13	62/97
35	750	2250	750	25	25/21	75/22	25/8	13	11/97
36	2250	2250	750	25	25/21	75/22	25/8	31	31/98
37	750	750	2250	25	25/21	75/22	25/8	13	93/96
38	2250	750	2250	25	25/21	75/22	25/8	31	48/98
39	750	2250	2250	25	25/21	75/22	25/8	31	75/98
40	2250	2250	2250	25	25/21	75/22	25/8	13	04/98
41	750	750	750	55	25/21	75/22	25/8	13	02/97
42	2250	750	750	55	25/21	75/22	25/8	31	49/97
43	750	2250	750	55	25/21	75/22	25/8	31	23/97
44	2250	2250	750	55	25/21	75/22	25/8	13	45/97
45	750	750	2250	55	25/21	75/22	25/8	31	39/97
46	2250	750	2250	55	25/21	75/22	25/8	13	49/97
47	750	2250	2250	55	25/21	75/22	25/8	13	36/97
48	2250	2250	2250	55	25/21	75/22	25/8	31	99/97
49	750	750	750	25	75/53	75/22	25/8	13	94/97
50	2250	750	750	25	75/53	75/22	25/8	31	31/98
51	750	2250	750	25	75/53	75/22	25/8	31	12/98
52	2250	2250	750	25	75/53	75/22	25/8	13	26/98
53	750	750	2250	25	75/53	75/22	25/8	31	26/98
54	2250	750	2250	25	75/53	75/22	25/8	13	22/98
55	750	2250	2250	25	75/53	75/22	25/8	13	14/98
56	2250	2250	2250	25	75/53	75/22	25/8	31	97/98
57	750	750	750	55	75/53	75/22	25/8	31	81/97
58	2250	750	750	55	75/53	75/22	25/8	13	31/97
59	750	2250	750	55	75/53	75/22	25/8	13	97/96
60	2250	2250	750	55	75/53	75/22	25/8	31	39/98
61	750	750	2250	55	75/53	75/22	25/8	13	18/97
62	2250	750	2250	55	75/53	75/22	25/8	31	53/98
63	750	2250	2250	55	75/53	75/22	25/8	31	19/98
54	2250	2250	2250	55	75/53	75/22	25/8	13	71/97
65	750	750	750	25	25/21	25/8	75/22	31	13/98
66	2250	750	750	25	25/21	25/8	75/22	13	37/98
67	750	2250	750	25	25/21	25/8	75/22	13	98/97
68	2250	2250	750	25	25/21	25/8	75/22	31	21/99
69	750	750	2250	25	25/21	25/8	75/22	13	19/98
70	2250	750	2250	25	25/21	25/8	75/22	31	30/99
71	750	2250	2250	25	25/21	25/8	75/22	31	06/99
									ادامه جدول 2
72	2250	2250	2250	25	25/21	25/8	75/22	13	73/98
73	750	750	750	55	25/21	25/8	75/22	13	24/97
74	2250	750	750	55	25/21	25/8	75/22	31	73/97
75	750	2250	750	55	25/21	25/8	75/22	31	51/97
76	2250	2250	750	55	25/21	25/8	75/22	13	81/98
77	750	750	2250	55	25/21	25/8	75/22	31	66/98
78	2250	750	2250	55	25/21	25/8	75/22	13	93/97
79	750	2250	2250	55	25/21	25/8	75/22	13	75/97
80	2250	2250	2250	55	25/21	25/8	75/22	31	12/98
81	750	750	750	25	75/53	25/8	75/22	13	51/98
82	2250	750	750	25	75/53	25/8	75/22	31	57/98
83	750	2250	750	25	75/53	25/8	75/22	31	25/98
84	2250	2250	750	25	75/53	25/8	75/22	13	92/98
85	750	750	2250	25	75/53	25/8	75/22	31	49/98
86	2250	750	2250	25	75/53	25/8	75/22	13	98/98
87	750	2250	2250	25	75/53	25/8	75/22	13	85/98
88	2250	2250	2250	25	75/53	25/8	75/22	31	48/99
89	750	750	750	55	75/53	25/8	75/22	31	97/97
90	2250	750	750	55	75/53	25/8	75/22	13	89/97
91	750	2250	750	55	75/53	25/8	75/22	13	69/97
92	2250	2250	750	55	75/53	25/8	75/22	31	70/98
93	750	750	2250	55	75/53	25/8	75/22	13	76/97
94	2250	750	2250	55	75/53	25/8	75/22	31	95/98
95	750	2250	2250	55	75/53	25/8	75/22	31	61/98
96	2250	2250	2250	55	75/53	25/8	75/22	13	29/98
97	750	750	750	25	25/21	75/22	75/22	13	44/98
98	2250	750	750	25	25/21	75/22	75/22	31	01/99
99	750	2250	750	25	25/21	75/22	75/22	31	74/98
100	2250	2250	750	25	25/21	75/22	75/22	13	69/99
101	750	750	2250	25	25/21	75/22	75/22	31	89/98
102	2250	750	2250	25	25/21	75/22	75/22	13	71/99
103	750	2250	2250	25	25/21	75/22	75/22	13	62/99
104	2250	2250	2250	25	25/21	75/22	75/22	31	67/99
105	750	750	750	55	25/21	75/22	75/22	31	96/97
106	2250	750	750	55	25/21	75/22	75/22	13	37/98
107	750	2250	750	55	25/21	75/22	75/22	13	93/97
108	2250	2250	750	55	25/21	75/22	75/22	31	36/99
109	750	750	2250	55	25/21	75/22	75/22	13	26/98
110	2250	750	2250	55	25/21	75/22	75/22	31	49/99
111	750	2250	2250	55	25/21	75/22	75/22	31	31/99
112	2250	2250	2250	55	25/21	75/22	75/22	13	99/98
113	750	750	750	25	75/53	75/22	75/22	31	19/99
114	2250	750	750	25	75/53	75/22	75/22	13	92/98
115	750	2250	750	25	75/53	75/22	75/22	13	69/98
									ادامه جدول 2
116	2250	2250	750	25	75/53	75/22	75/22	31	87/99
117	750	750	2250	25	75/53	75/22	75/22	13	81/98
118	2250	750	2250	25	75/53	75/22	75/22	31	91/99
119	750	2250	2250	25	75/53	75/22	75/22	31	83/99
120	2250	2250	2250	25	75/53	75/22	75/22	13	73/99
121	750	750	750	55	75/53	75/22	75/22	13	52/98
122	2250	750	750	55	75/53	75/22	75/22	31	62/98
123	750	2250	750	55	75/53	75/22	75/22	31	13/98
124	2250	2250	750	55	75/53	75/22	75/22	13	56/99
125	750	750	2250	55	75/53	75/22	75/22	31	26/98
126	2250	750	2250	55	75/53	75/22	75/22	13	60/99
127	750	2250	2250	55	75/53	75/22	75/22	13	43/99
128	2250	2250	2250	55	75/53	75/22	75/22	31	56/99
129	0	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	69/99
130	3000	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	41/99
131	1500	0	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	73/99
132	1500	3000	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	89/98
133	1500	1500	0	40	5/37	5/15	5/15	22	69/99
134	1500	1500	3000	40	5/37	5/15	5/15	22	21/99
135	1500	1500	1500	10	5/37	5/15	5/15	22	21/98
136	1500	1500	1500	70	5/37	5/15	5/15	22	58/97
137	1500	1500	1500	40	5	5/15	5/15	22	98/97
138	1500	1500	1500	40	70	5/15	5/15	22	71/99
139	1500	1500	1500	40	5/37	1	5/15	22	11/98
140	1500	1500	1500	40	5/37	30	5/15	22	48/99
141	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	1	22	96/97
142	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	30	22	43/99
143	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	5	12/98
144	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	40	33/99
145	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99
146	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99
147	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99
148	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99
149	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99
150	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99
151	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99
152	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99
153	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99
154	1500	1500	1500	40	5/37	5/15	5/15	22	31/99

 

 

نشان می‌دهد). سپس ظرف سونو راکتور به مدت 5-40 دقیقه در معرض موج‌دهی فراصوت قرار داده شد(حمام فراصوت را در نشان می‌دهد). سپس ظرف سونو راکتور به مدت 5-40 دقیقه در معرض موج‌دهی فراصوت قرار داده شد(حمام فراصوت را در

 

دمای2±35 درجه سانتی گراد و توان 150 وات و فرکانس 40 کیلوهرتز ثابت نگه داشته شد). استخراج فاز آلی طی دو مرحله با استفاده از حلال ان-ان دی متیل فرمامید(در مجموع مقدار حلال مصرفی به نسبت 1:1 با نمونه فاز آلی) انجام شد و در نهایت بر روی نمونه فاز آلی آنالیز سولفور کل با استاندارد ASTM D7039 انجام شد و درصد بازده حذف گوگرد(SRE%) با استفاده از معادله 1 محاسبه گردید.

(1)	%SER = (Ci – Cf) / (Ci)×100

در معادله 1، SRE% درصد بازده حذف گوگرد، Ci مقدار سولفور اولیه (ppm) و Cf  مقدار سولفور نهایی (ppm) می‌باشد. نمای کلی مرحله به مرحله انجام آزمایشات از نمونه سنتزی میعانات گازی چهار جزیی در شکل 1 نشان داده شده است.

۳- نتایج و بحث

در این مطالعه، جهت بهینه کردن پارامترهای سولفورزدایی به روش اکسیداسیون فراصوت، ارتباط بین پاسخ‌ها و متغیرها بصورت معادله درجه دوم، بیان می‌شود. نتایج

 حذف سولفور پس از انجام آزمایشات و مقادیر هر نمونه را در جدول 2 آورده شده است. در جدول 3 مقدار ضریب همبستگی (R2) برابر با 8924/0 برای رگرسیون مدل ارائه شده است. ضریب همبستگی تنظیم شده برابر با 849/0 و ضریب همبستگی پیش‌بینی شده 7347/0 می‌باشد که اختلاف کم ضریب رگرسیون تنظیم شده با ضریب رگرسیون پیش‌بینی است. با توجه به جدول آنالیز واریانس(ANOVA) که در جدول 3 قابل مشاهده است، متغیرهایی که P-value آن‌ها کمتر از 0500/0 باشد، تأثیرات این ترم‌ها بر متغیر پاسخ بیشتر می‌شود و غیر قابل چشم‌پوشی هستند. بنابراین متغیرهایX1, X2, X3, X4, X5, X6, X7, X8, X6 X7, X7 X8, X42, X52, X72, X82 دارای تأثیرات بیشتری نسبت به دیگر متغیرها می‌باشند که ضرایب این متغیرها در جدول 3 ارائه شده است. برای نمونه‌ی سنتزی مایعات گازی، معادله درجه دوم به صورت معادله 2 برحسب کد ارائه می‌شود. با توجه به شکل 2 مشاهده شد که با افزایش مقدار گوگرد، در نمونه‌های نرمال هپتان بازده حذف گوگرد بیشتر می‌شود.

 

 

شکل 1. نمای کلی مراحل انجام آزمایشات 

جدول 3. نتایج حاصل از آنالیز جدول واریانس (ANOVA)
	آنالیز واریانس					ضریب معادله درجه دوم
Source	Sum of Square	Df	Mean Square	F-Value	P-Value	بر حسب کد
Model	81/99	44	15/2	55/20	< 0001/0	+39/99
X1	56/6	1	56/6	59/62	< 0001/0	+2197/0
X2	46/1	1	46/1	94/13	0003/0	+1037/0
X3	57/3	1	57/3	05/34	< 0001/0	+1621/0
X4	97/8	1	97/8	49/65	< 0001/0	-2568/0
X5	39/3	1	39/3	35/32	< 0001/0	+1579/0
X6	73/8	1	73/8	25/83	< 0001/0	+2534/0
						ادامه جدول 3
X7	05/32	1	05/32	57/305	< 0001/0	+4854/0
X8	30/5	1	30/5	50/50	< 0001/0	+1974/0

 

X1 X2	0058/0	1	0058/0	0551/0	8149/0	-0068/0
X1 X3	0365/0	1	0365/0	3475/0	5567/0	-0169/0
X1 X4	0185/0	1	0185/0	1767/0	6751/0	+0120/0
X1 X5	0002/0	1	0002/0	0015/0	9696/0	+0011/0
X1 X6	0325/0	1	0325/0	3100/0	5788/0	+0159/0
X1 X7	1458/0	1	1458/0	30/1	2410/0	+0337/0
X1 X8	0124/0	1	0124/0	1183/0	7316/0	-0098/0
X2 X3	0428/0	1	0428/0	4079/0	5244/0	+0183/0
X2 X4	0105/0	1	0105/0	1002/0	7722/0	-0091/0
X2 X5	0231/0	1	0231/0	2204/0	6397/0	-0134/0
X2 X6	0520/0	1	0520/0	4958/0	4828/0	+0202/0
X2 X7	0751/0	1	0751/0	7158/0	3994/0	+0242/0
X2 X8	0015/0	1	0015/0	0144/0	9046/0	-0034/0
X3 X4	0020/0	1	0020/0	0186/0	8917/0	+0039/0
X3 X5	0140/0	1	0140/0	1338/0	7153/0	-0105/0
X3 X6	0242/0	1	0242/0	2307/0	6319/0	+0137/0
X3 X7	1568/0	1	1568/0	50/1	2241/0	+0350/0
X3 X8	0063/0	1	0063/0	0603/0	8064/0	+0070/0
X4 X5	3784/0	1	3784/0	61/3	0601/0	+0544/0
X4 X6	0732/0	1	0732/0	6975/0	4055/0	+0239/0
X4 X7	1188/0	1	1188/0	13/1	2895/0	-0305/0
X4 X8	0003/0	1	0003/0	0030/0	9566/0	+0016/0
X5 X6	0007/0	1	0007/0	0067/0	9349/0	-0023/0
X5 X7	0124/0	1	0124/0	1183/0	7316/0	-0098/0
X5 X8	0365/0	1	0365/0	3475/0	5568/0	-0169/0
X6 X7	80/1	1	80/1	12/17	< 0001/0	+1184/0
X6 X8	0473/0	1	0473/0	4508/0	5034/0	-0192/0
X7 X8	06/1	1	06/1	13/10	0019/0	-0911/0
X12	0057/0	1	0057/0	0540/0	8168/0	+0127/0
X22	0779/0	1	0779/0	7431/0	3906/0	-0473/0
X32	0052/0	1	0052/0	0500/0	8235/0	-0123/0
X42	61/5	1	61/5	50/53	< 0001/0	-4010/0
X52	9329/0	1	9329/0	90/8	0035/0	-1635/0
X62	08/1	1	08/1	31/10	0017/0	-1760/0
X72	41/1	1	41/1	44/13	0004/0	-2010/0
X82	31/1	1	31/1	46/12	0006/0	-1935/0
Residual	43/11	109	1049/0
Lack of Fit	43/11	100	1143/0
Pure Error	0000/0	9	00/0
Cor Total	25/106	153
Fit statistics	R²= 8924/0, Adj- R²= 8489/0, Pred-R²= 7347/0,  Model Precision= 7529/19

 

 

 

شکل  2. تأثیر متقابل مقادیر مختلف ترکیب مرکاپتانی نسبت به بازده حذف گوگرد در نمونه سنتزی  بر حسب (الف) ترکیب گوگردی سولفیدی، (ب)ترکیب گوگردی تیوفنی، (پ) هیدروژن پراکسید، (ت) فرمیک اسید، (ث) فسفوتنگستیک اسید، (ج) ایزو بوتانول، (چ) زمان موج‌دهی فراصوت.

 

(2)	%SER= 99.39+ 0.219X1+ 0.103 X2+ 0.1621 X3- 0.2568 X4+ 0.1579 X5+ 0.2534 X6+ 0.4854 X7+ 0.1974 X8+ 0.1184 X6 X7- 0.0911 X7X8- 0.4010X42- 0.1635 X52- 0.1760 X62- 0.2010 X72- 0.1935 X82

نتایج حاصل از انجام آزمایش ها نشان داد که هرچه مقدار ترکیبات گوگردی در نمونه میعانات گازی زیادتر باشد بازده حذف گوگرد بیشتر می‌شود که یکی از دلایل آن خاصیت امواج فراصوت است. ترکیبات گوگردی نمونه زیاد یا کم باشد، با افزودن مواد اکسید کننده، حذف گوگرد تا یک مقدار مشخص (حدودا کمتر از ppm50) می‌رسد که نشان از یک رابطه مستقیم بین مقدار گوگرد نمونه و بازده حذف گوگرد می‌باشد. در مخلوط گوگردی هرچه مقدار ترکیب گوگردی مرکاپتانی نسبت به ترکیبات تیوفنی و سولفیدی بیشتر باشد بازده حذف گوگرد از نمونه میعانات گازی سنتزی بیشتر هست و بلعکس. در شکل‌های 2پ، 3ب و 4الف مشاهده شده که در مقادیر ثابت سولفور با افزایش مقدار هیدروژن پراکسید بازده حذف گوگرد افزایش و سپس کاهش می‌یابد. بهترین جواب‌ها در مقادیر بالای گوگرد و کمتر از متوسط هیدروژن پراکسید است که دلایلی مانند افزایش فاز آبی و وابستگی مقدار هیدروژن پراکسید به مقادیر بهبود دهنده و کاتالیزگر می‌باشد و باید مقدار هیدروژن پراکسید تنظیم شده باشد که لزوم بهینه‌سازی را می‌رساند. شکل‌های 2ت، 3پ و 4ب بیانگر تأثیر بهبود دهنده (فرمیک اسید) بر مقدار سولفور موجود در نمونه و مشاهده بازده حذف گوگرد است. در مقادیر ثابت مخلوط گوگردی با افزایش مقدار فرمیک اسید ابتدا بازده حذف گوگرد زیاد می‌شود و سپس کاهش اندکی می‌یابد که به دلیل افزایش اثر نامطلوب فاز آبی و وابستگی مقدار فرمیک اسید به مقدار هیدروژن پراکسید است که باید بهینه شود و قلیائیت نمونه در یک محدود مشخص نگه داشته شود. بهترین نتایج در مقادیر بالای گوگرد و مقادیر بالاتر از متوسط فرمیک اسید می‌باشد. در شکل‌های 2ث، 3ت و 4پ با افزایش مقدار کاتالیزگر (فسفوتنگستیک اسید) بازده حذف گوگرد بیشتر می‌شود و ارتباط مستقیم بین مقدار گوگرد موجود در نمونه و مقدار کاتالیزگر وجود دارد چون هر چه مقدار تولید پلی‌اکسومتالات‌ها (محصول واکنش هیدروژن پراکسید و فسفوتنگستیک اسید) زیادتر باشد واکنش تبدیل ترکیبات گوگردی به سولفون‌ها زیادتر می‌شود در نتیجه بازده حذف افزایش می‌یابد. شکل‌های 2ج، 3ث و 4ت نشان می‌دهد که مطلوب‌ترین جواب‌ها در مقادیر بالای گوگرد و انتقال دهنده فازی است. هدف استفاده از ایزوبوتانول به عنوان انتقال دهنده فازی کمک به انتقال مواد اکسید شده گوگردی از فاز آلی به فاز آبی جهت حذف بهتر گوگرد می‌باشد بنابراین افزایش ایزوبوتانول اثر مثبت بر بازده حذف گوگرد دارد. شکل‌های 2چ، 

 

شکل 3. تأثیر متقابل مقادیر مختلف ترکیب سولفیدی نسبت به بازده حذف گوگرد در نمونه سنتزی بر حسب (الف) ترکیب گوگردی تیوفنی، (ب) هیدروژن پراکسید، (پ) فرمیک اسید، (ت) فسفوتنگستیک اسید، (ث) ایزو بوتانول، (ج) زمان موج‌دهی فراصوت.

 

 

شکل 4. تأثیر متقابل مقادیر مختلف ترکیب تیوفنی نسبت به بازده حذف گوگرد در نمونه سنتزی بر حسب (الف) هیدروژن پراکسید، (ب) فرمیک اسید، (پ) فسفوتنگستیک اسید، (ت) ایزو بوتانول، (ث) زمان.

 

 

3ج و 4ث نشان از تأثیر زمان بر مقدار گوگرد است. در مقادیر پایین گوگرد با افزایش زمان، بازده حذف گوگرد افزایش می‌یابد و در مقادیر بالای گوگرد با افزایش زمان موج‌دهی فراصوت بازده حذف گوگرد اندکی کاهش می‌یابد که لزوم بهینه سازی را می‌رساند. هر چه مقدار سولفور موجود در نمونه‌ها زیادتر باشد سرعت واکنش‌های اکسیداسیون زیادتر می‌شود و نیاز به زمان موج‌دهی فراصوتی کمتری است. در نتیجه تمام متغیرهای، اکسید کننده، بهبود دهنده، کاتالیزگر، انتقال دهنده فازی و زمان موج‌دهی فراصوت به مقدار ترکیبات گوگردی موجود در نمونه‌ها وابسته هستند.

4- نتيجه گيری 

جهت تحقق اهداف این پژوهش که حذف همه نوع ترکیبات گوگردی موجود در میعانات گازی بوده است، نمونه میعانات گازی چهار جریی طراحی شد که در آن از نرمال هپتان به عنوان نماینده‌ی میعانات گازی و ترت‌بوتیل مرکاپتان به عنوان نماینده‌ی مرکاپتان‌ها، دی‌پروپیل سولفید نماینده‌ی سولفید‌ها و بنزو تیوفن نماینده‌ی ترکیبات آروماتیکی استفاده شده است. نتایج نشان داد که بیشترین بازده حذف گوگرد در نقطه بهینه با مقادیر مرکاپتان (ppm 99/1105)، سولفید (ppm 50/2252)، تیوفن (ppm 48/2965)، هیدروژن پراکسید (%v/v 57/23)، فرمیک اسید (%v/v 27/49)، فسفوتنگستیک اسید (%w/w 15/21)، ایزوبوتانول ( %v/v 56/24) و زمان موج‌دهی فراصوت (min 17/21) با استفاده از ظرف سونوراکتور شیشه‌ای و دو مرحله استخراج با حلال ان ان دی متیل فرمامید، درصد بازده حذف ترکیبات گوگردی 92/99% شد. انتخاب روش UAOD همراه با مخلوط اکسید کننده مناسب، درصد بازده حذف گوگرد از 33%/96 به% 92/99 رسید.

مراجع

1. H. Topsøe, B.S. Clausen, F.E. Massoth. (1996). 

2. X. Ma, K. Sakanishi, I. Mochida, (Ind. Eng. Chem. Res,1996). Volume 35, pp. 2487-2816. 

3. L. Vradman, M. Landau, M. Herskowitz, (1999). 4. S. Mehran, B. Amarjeet, M. Argyrios. (2007).

5. T. Chen, Y. Shen, W. Lee, C. Lin, M. Wan. (Cleaner Production, 2013), Vol. 39, pp. 129-136.  

6. M.W. Wan, T.F. Yen. (2007).

7. M.F. Ali, A. Al-Malki, B. El-Ali, G. Martinie, M.N. Siddiqui. (Fuel, 2006), 85, (10-11), pp. 1354-1363.

8. H. Mei, B.W. Mei, T.F. Yen. (2003).

9. T. C. Chen, Y. H. Shen, W. J. Lee, C.C. Lin, M. W. (cleaner production, 2013), pp. 129-136.

10. S. Liu, Z. Liu, H. Zhu, Z. Wang, J. Guo, X. Zhang, H.Yu, X.Yue, P. Ning, B. Li.(2023). 

11. A. Taghizadeh, M. Asemani, F. Esmaeilzadeh, A. Ameri. (2023).

 

 

Experimental investigation of sulfur compounds removal from synthetic quaternary gas condensate system using ultrasound assisted oxidative desulfurization (UAOD) method

        Ameneh Taghizadeh1, Maryam Asemani1,*, Fereidoon Esmaeilzadeh2, Abolhasan Ameri1

1Department of Chemical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran

Abstract: In addition to natural gas, gas condensates are also produced from gas reservoirs. The presence of any of the pollutants, such as sulfur compounds, can cause problems in downstream industries or damage the environment. In this research, the desulfurization of a synthetic quaternary gas-condensate system containing of normal heptane with different combinations of tert-butyl mercaptan (aliphatic thiol), dipropyl sulfide (aliphatic sulfide), and benzo thiophene (aromatic thiophene) in the range of 0-3000 ppm were treated using UAOD process. For this purpose, different operating variables including H2O2 (10- 70% v/v), CH2O2 (5- 70% v/v), H3P(W3O10)4 (1- 30% w/w), C4H10O (1- 30 % v/v) and sonication (5- 40 min) were examined upon the desulfurization efficiency. The design of the experiments was performed by the response surface method of the central composite design model. And then N, N-dimethylformamide solvent was used to extract oxidized sulfurous compounds from n-heptane. Residual sulfur was analyzed by ASTM D7039 standard method. Maximum desulfurization efficiency, 99.92%, for C4H10S= 1105.99 ppm, C6H14S= 2252.50 ppm, C8H6S= 2965.48 ppm in 20 mL n-heptane was obtained at H2O2= 23.57% v/v, CH2O2= 49.27% v/v, H3P(W3O10)4= 21.15% w/w, C4H10O= 24.56% v/v and sonication time= 21.17 min. Additionally, an empirical model was proposed to predict desulfurization efficiency with an error of less than 0.1%.

2Department of Chemical Engineering; School of Chemical, Petroleum and Gas Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran

Keywords: Ultrasound, Gas condensate, Experimental design. 

 

 

 

 

 

 

 

 

تاریخ دریافت : 6/9/1403         سال سوم | شماره 3 | پاییز ۱403                11

تاریخ پذیرش : 21/10/۱403