(۲- ۱)
که ضریب نفوذ ملکولی است.
مکانیسم نفوذ ملکولی به عنوان مهمترین و غالبترین مکانیسم رسوب واکس شناخته شده است و در تمامی مدل های ارائه شده از این مکانیسم استفاده شده است (Singh, Venkatesan, & Fogler, 2000; (Singh P. V., 2001.
پخش برشی[۲۸]
بورگر مکانیسم پخش برشی رسوب واکس انتقال ذرات را به عنوان مکانیسم غالب در دماهای پایین و شارهای حرارتی کم تشخیص داده است. زمانی که یک محلول سوسپانسیون رقیق تحت تنش برشی در شرایط جریانی آرام قرار گیرد، ذرات شروع به جابجا شدن از مکان اولیه خود و حرکت رندوم می کنند(Burger, Perkins, & Striegler, 1981). مکانیسم پخش برشی وابسته به سایز، شکل، دانسیته و غلظت ذرات جامد معلق در محلول دارد (Hampton et al., 1997). آزودو و تیکسریا(۲۰۰۳) متوجه شدند در حالیکه حرکت ذرات سوسپانسون باید در جهت کاهش برش صورت بگیرد اما ذرات جامد ممکن است به ناحیه بین محور لوله و دیواره آن مهاجرت کنند. آنها همچنین مدعی شدند که پراکندگی برشی سهمی در رسوب ندارد زیرا شواهد آزمایشگاهی نشان داد که هیچ رسوبی از واکس تحت شرایط شار حرارتی صفر مشاهده نمیشود. البته آنها این موضوع را که نیروی برشی میتواند نقش موثری در زدایش رسوب واکس داشته باشد را تایید کردند (Azevedo & Teixeira, 2003).
فاسانو(۲۰۰۴) بر اساس مقالات مدعی شد که برای دماهایی بسیار پایینتر از دمای ابری شدن و شار گرمایی متوسط مکانیسم غالب فرایند پراکندگی برشی میباشد، در حالیکه برای دماهایی کمی بالاتر از دمای ابری شدن فرایند غالب نفوذ ملکولی میباشد (Aiyejina et al., 2011).صرفنظر از چالشهای تئوریها در نظر گرفتن نقش پراکندگی برشی در رسوب واکس، اهمیت این مکانیسم در تجمع رسوب تشکیل شده و پدیده سخت شدن رسوب واکس قابل تامل است(Aiyejina et al., 2011).
(( 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. ))
نفوذ براونی[۲۹]
امکان اینکه بعضی نواحی در جریان نفت در خطوط لوله دارای دمایی کمتر از دمای ابری شدن باشند وجود دارد. در این حالت بلورهای واکس به صورت جامد از نفت جدا شده و به صورت سوسپانسیون در نفت معلق میباشند. سوسپانسیون بلورهای ریز و جامد واکس با ملکولهای نفت که در اثر گرما دارای حرکات نامنظم و تصادفی هستند برخورد کرده و سبب افزایش حرکت تصادفی آنها میشوند. به دلیل وجود گرادیان غلظت بلورهای جامد، انتقال خالص بلور های واکس جهت کاهش غلظت صورت میگیرد. شار نفوذ ذره توسط قانون نفوذ فیک بیان میشود.
(۲- ۲)
که جرم رسوب واکس ، دانسیته رسوب واکس جامد، ضریب نفوذ براونی بلورهای جامد در نفت، مساحت رسوب، غلظت جزحجمی واکس جامدی است که از محلول خارج شده و مختصات شعاعی است (Azevedo & Teixeira, 2003).
نفوذ براونی توسط بسیاری ازمحققان بعنوان یک مکانیسم مناسب و احتمالاً مؤثر برای رسوب در نظر نگرفته شده است. (Aiyejina et al., 2011).
تهنشینی ثقلی[۳۰]
این مکانیسم توسط تهنشین شدن ذرات واکس در نتیجه جاذبه ثقلی به وجود میآید. بورگر و همکاران(۱۹۸۱) با شواهد آزمایشگاهی نشان دادند که سرعت ته نشینی بلورهای واکس در شرایط معمول سهم قابل توجهی در توزیع رسوب ندارد. همچنین مقدار رسوب با محدودیت خطای آزمایشگاهی در شرایط جریانی افقی و عمودی یکسان است(Burger et al., 1981).
حذف برشی[۳۱]
این مکانیسم همچنین با نام جدایش[۳۲] شناخته میشود و بر این مبنا است که تنش برشی اعمال شده از طرف جریان سیال بر روی سطح رسوب ممکن است مقادیری از رسوب چسبیده شده را جدا کند و با خودحمل کند. این مکانیسم بیشتر در مدلهای رسوب در مبدلهای حرارتی استفاده میشود. این مکانیسم در اعداد رینولدز بالا نقش مهمی در مدلسازی رسوب واکس دارد و در جریان آرام قابل صرفنظر شدن است (خوش بزم فریمانی, ۱۳۸۹).
مشخصات سطح[۳۳]
مشخصات سطح سیستم تاثیر زیادی را بر فرایند رسوب واکس بر روی سطوح دارد. مطالعاتی در زمینه تأثیر سطوح مختلف بر فرایند رسوب واکس انجام شده است. اساس این مطالعات بر پایه این تئوری که چسبندگی رسوب بر روی سطوح تابعی از مشخصات سطح میباشد، شکل گرفته است. در مورد چسبندگی پارافینها به سطوح تاکنون دو تئوری پیشنهاد شده که در ادامه بیان میشوند.
خاصیت تر شوندگی سطوح[۳۴]
مطابق با تئوری انرژی آزاد سطحی[۳۵]، واکسهای پارافینی رسوبی روی سطح بوسیله نیروی جذب سطحی نگهداشته شدهاند و این نیرو وابسته به انرژی آزاد سطحی است که سطح و واکس دارا میباشند. انرژی سطح به عنوان کار مورد نیاز برای غلبه بر نیروهای جاذبه بین رسوب و سطح به ازای واحد سطح تعریف میشود. کاهش انرژی آزاد سطحی یک سطح منجر به کاهش نیروی جذب سطحی نگهدارنده پارافین به سطح میباشد و در نتیجه پارافین کمتری در حین شرایط جریانی میتواند روی سطح بماند.
لی و همکاران(۱۹۹۷) آزمایشهای رسوب واکس را در لولههای استیل و شیشهای انجام دادند و نتیجه گرفتند که واکس روی لولههای استیل بیشتر از لولههای شیشهای رسوب میکند. این خاصیت به تر شوندگی بیشتر سطح لوله استیل نسبت داده شد (Li & Ji, 1997). همچنین مشاهده شد که مقدار واکس رسوبی هنگامیکه نفت با آب مخلوط میگردد، کاهش پیدا میکند (Li & Ji, 1997; Couto, 2008). از واکنش تری اکسید سولفور با دیواره فلزی خط لوله یک پوشش محافظ مرطوب پایدار تولید می شود که با وجود برقراری جریان نفت در خط لوله از بین نخواهد رفت . رسوب پارافینی تشکیل شده در جریان تولیدی، به دلیل حضور آب بسیار شل و قابل زدایش خواهد بود. این موضوع در صنعت نفت کاربرد موفقیت آمیزی داشت (Bidmus, 2009).
زبری سطح[۳۶]
هانت (۱۹۶۲) و جوردو (۱۹۶۶) با سامانه خال سرد نشان دادند که کمیت، چسبندگی و وزن متوسط ملکولی رسوب پارافینی روی سطح با افزایش زبری سطح افزایش مییابد (Bidmus, 2009).پاتن و کاساد (۱۹۷۷) نشان دادند که رسوب واکس به دیواره لوله نمیچسبد و توسط زبری و یا غیر یکنواختی سطح نگهداشته میشود. از مهمترین نتایج این مطالعه عبارت است از (Fong , 2007):
هیچ رابطهای بین زبری سطح و مقدار واکس رسوبی وجود ندارد.
ماندگاری یا باقی ماندن رسوب روی یک سطح را ترکیب درصد واکس رسوبی مشخص می کند.
عوامل عملیاتی موثر بر پدیده رسوب واکس در خط لوله
همانطور که گفته شد هنگامی رسوب واکس شروع به شکل گرفتن می کند که دمای دیواره لوله پایینتر از دمای ابری شدن گردد. همامی و رینس (Hammami & Raines, 1999) فهرستی از تعداد عواملی که بر مقدار دمای ابری شدن مؤثر هستند را تدارک دیدهاند. به دلیل اهمیت فرایند رسوب، فاکتورهایی که بر دمای ابری شدن مؤثرند، در فرایند رسوب نیز بسیار با اهمیت هستند. از مؤثرترین عواملی که بر فرایند رسوب واکس در خطوط لوله نفت خام حائز اهمیت هستند عبارتند از: ترکیب درصد نفت خام، دما، شدت جریان و زمان رسوب.
ترکیب درصد نفت خام
ترکیب درصد نفت خام بر احتمال وقوع یا عدم وقوع رسوب جامد و همینطور مقدار رسوب واکس نقش اساسی دارد. محتوای واکس کم در نفت خام احتمال وقوع رسوب را کاهش میدهد. هنگامیکه مخلوطهای حلال- واکس در معرض شرایط دمایی مشابه با توجه به دمای ابری شدن نمونهها قرار گرفتهاند، مقدار واکس یکسانی رسوب کرده است (Bidmus & Mehrotra, 2004; Parthasarathi & (Mehrotra, 2005; Fong & Mehrotra, 2007. اما هنگامیکه مخلوطها در معرض شرایط عملیاتی یکسان قرار بگیرند، نمونهای که محتوای واکس بیشتری داشته باشد، مقدار رسوب جامد بیشتری نیز داشته است. افزایش محتوای واکس نفتخام دمای ابری شدن آن را افزایش میدهد که این موضوع سبب افزایش احتمال وقوع رسوب میگردد (Bidmus, 2009). حمامی و رینس دریافتند که بعضی ازترکیبات موجود در نفتخام سبب افزایش یا کاهش رسوب واکس میگردند(Hammami & Raines, 1999). نرمالپارافینها و ایزوپارافینها تمایل به تشکیل واکس جامد و تهنشینی دارند. در حالیکه ایزوپارافینها متمایل به تأخیر انداختن هستهزایی واکس و تشکیل جامدهای ناپایدار میباشند. نفتنها یا سیکلوپارافینها که ماهیتاً حالت حجیم و سختی را دارند، متمایل به تخریب فرایند هستهزایی واکس هستند. آروماتیکهای موجود در نفت خام نیز به عنوان حلال برای واکسها عمل مینمایند و مانع تشکیل رسوب یا سبب کاهش آن میگردند. آسفالتنها نیز سبب کاهش رسوب واکس میگردند و به عنوان بازدارنده عمل میکنند (Misra et al., 1995; Woo et al., 1984). الیویرا و همکاران (Oliveira, 2006) علت بازدارندگی آسفالتن را کاهش دمای نقطه ریزش دانستند ولی حمامی و رینس(Hammami & Raines, 1999) پیشنهاد دادند که تأثیر واقعی آسفالتن ممکن است وابسته به غلظت نسبی آنها در نفت خام باشد و باید تحقیقات بیشتری در این زمینه صورت گیرد. آسفالتنهای رسوبی ممکن است نقش مکانهای هستهزایی اضافی برای رسوب واکس را ایجاد کنند. حضور ناخالصیها و دیگر مواد ناشناخته در نفتخام نیز ممکن است سبب کاهش انرژی مورد نیاز برای تشکیل هستههای بحرانی واکس شود(Hammami & Raines, 1999). با توجه به مشاهدات صورت گرفته حضور آب در نفت نیز سبب کاهش واکس رسوبی مخصوصاً روی سطح خیس شده با آب میشود (Couto, 2008; Li & Ji, 1997; Zhang, 2008). میری و همکاران تاثیر افزایش ترکیبات سبک به نفتخام روی دمای ابری شدن را مطالعه نمودند و مشاهده نمودند که دمای ابری شدن نمونه های نفت خام تا حدود °C 15 وابسته به مقدار ترکیبات سبک اضافه شده، کاهش پیدا میکند(Meray ey al., 1993).
دما
هنگامیکه جریان نفتخام با دمایی بالاتر از دمای ابری شدن در خط لوله جاری است، حرارت منتقل شده از دیواره لوله ایجاد یک گرادیان دمایی میکندکه لازمه تشکیل رسوب واکس ترمودینامیکی و هیدرودینامیکی است. برخی محققان اختلاف دمای بین توده نفت و دیواره لوله یا دمای بیرون را به عنوان نیروی محرکه مورد نیاز برای وقوع رسوب در نظر گرفتند(Wu, 2002). اختلاف دمای کلی بیشتر لزوماً مقدار رسوب بیشتری را نتیجه نمیدهد (Bidmus & Mehrotra, 2004; Parthasarathi & Mehrotra, 2005). اختلاف دمای بین نفتخام و دمای محیط پارامتر بسیار مهمی است و اثر آن از دمای نفت یا دمای محیط به تنهایی بسیار بیشتر است (Lashkarbolooki et al., 2010).
اگر نفت خام در لولهای به شدت رسانای حرارت با دمایی بالاتر از مقدار داده شده درمعدله ۲-۳ قرار گیرد، رسوب واکس تشکیل نمیگردد.
(۲- ۳)