۱-کنترل فشار: هر چه فشار کم باشد امکان تشکیل هیدرات کم می­ شود ولی در خطوط انتقال گاز به علت تقویت فشار جهت انتقال آن، این امر غیر ممکن است.
۲-کنترل دما: با گرم شدن سیستم توسط حرارت الکتریکی از رسیدن به نقطه تشکیل هیدرات جلوگیری می­ شود.
۳-تزریق بازدارنده­های شیمیایی: این بازدارنده­ها جلوی تشکیل هیدرات گازی را می­گیرند و نسبت به سایر راه­های موجود از اولویت بر­خوردارند و به­ صورت گسترده در صنایع گاز استفاده می­شوند. بازدارنده­های شیمیایی را به دو دسته مهم به نام بازدارنده­های ترمودینامیکی و بازدارنده­های غیر­ترمودینامیکی تقسیم می­ کنند.
۴- نم­زدایی از گاز: بخار آب موجود در خطوط لوله را توسط هیدراته کردن حذف می­ کنند با این وجود، در یک عملیات میدان صنعتی، از لحاظ اقتصادی، آّب را فقط تا فشار بخار خاصی می­توان حذف کرد[۱۴].
۱-۷-۱- بازدارنده­‌های ترمودینامیکی
بازدارنده­‌های ترمودینامیکی به این صورت عمل می­ کنند که عوامل مورد نیاز برای تشکیل هیدرات را یا حذف کرده یا کنترل می­ کنند که این عوامل عبارتند از حضور مولکول­‌های مهمان تشکیل­دهنده هیدرات، حضور آب، فشار بالا و دمای پایین. مولکول­‌های سنگین­تر مثل n-بوتان، سیکلو­پنتان و سیکلو­هگزان فقط در حضور گاز‌­های کمک­کننده از تشکیل هیدرات جلوگیری می­ کنند [۱۴]. از پرمصرف­ترین بازدارنده­‌های ترمودینامیکی، اتیلن­گلیکول، دی­اتیلن­گلیکول و متانول می­باشد. این بازدارنده­ها گران و برای محیط زیست مخرب هستند و همچنین سمّی و فرّار می­باشند.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۱-۷-۲- بازدارنده­‌های غیر­ترمودینامیکی
به طور کلی، بازدارنده­‌های غیر­ترمودینامیکی رشد بلور­ها و به دام­افتادن هیدرو­کربن­ها در شبکه­‌ی بلوری هیدرات گازی را به تأخیر می­اندازند. زمان تأخیر، زمان جریان گاز در خط لوله تا لحظه‌­ی تشکیل هیدرات گازی می­باشد. اثر آن­ها به این شکل است که روی مولکول­‌های آب جذب سطحی می­شوند و جلوی تشکیل پیوند­شیمیایی مولکول­‌های گازی با آب را می­گیرند. این بازدارنده­ها با غلظت پایین به خطوط لوله اضافه می­شوند. از معروف­ترین بازدارنده­‌های غیرترمودینامیکی می­توان به پلی­وینیل­پیرولیدین، پلی­وینیل­کاپرولاکتام و پلی­متیل­وینیل­لاکتامید اشاره کرد. این بازدارنده­ها هزینه‌­ی کمتری نسبت به بازدارنده­‌های ترمودینامیکی داشته و سمّی هم نیستند [۱۴].
۱-۷-۳- معیار­‌های بازدارنده
برای انتخاب بازدارنده باید ابتدا وابستگی آن به سیال­‌هایی که باید انتقال یابد معین شود. مواد شیمیایی باید از نظر محیطی مسئله­ساز نباشند و بتوانند در محدوده­ معین از غلظت مؤثر باشند. مواد باید تا بالاترین دمایی که در سیستم مواجه می­شوند، قابل حل باشند. این دما ممکن است ۱۰۰-۹ درجه­‌ی سانتی ­گراد باشد. مواد نباید ویسکوز باشند، چون تزریق آن­ها با مشکل مواجه می­ شود [۱۴].
یکی دیگر از راه­‌های جلوگیری از تشکیل هیدرات، استفاده از فرایند جذب است که در بخش بعدی به آن پرداخته شده است.
۱-۸- جذب
در هیدرات­زدایی در روش جذب، آب­گیری از گاز با بهره گرفتن از تماس گاز با یک مایع خاص صورت می­گیرد. عموماً گلیکول به­عنوان این مایع مورد استفاده قرار می­گیرد. هیدرات­زدایی به­وسیله­‌ی جذب با بهره گرفتن از گلیکول از لحاظ اقتصادی مقرون­به­صرفه است[۱۴].
گلیکول­‌هایی که برای هیدرات­زدایی گاز طبیعی مورد استفاده قرار می­گیرند، اتیلن­گلیکول، دی­اتیلن­گلیکول، تری­اتیلن­گلیکول و تترا­گلیکول­است. به­ طور معمول از یک نوع گلیکول خالص در هیدرات­زداها استفاده می­ شود. از میان گلیکول­ها تری­اتیلن گلیکول، به­ طور جهانی به­خاطر تنزل نقطه­‌ی شبنم، هزینه­‌های عملیات، قابلیت اطمینان عملیات در هنگام استفاده، قابل قبول­تر و پراستفاده­تر از سایرین است. افزایش ویسکوزیته‌­ی گلیکول، ممکن است باعث مشکلاتی در گاز­‌هایی با دمای پایین شود. از جهتی، حرارت دادن گاز طبیعی نیز مطلوب نیست، چرا که جریان­‌های خیلی داغ از گاز باعث تبخیر تری­اتیلن­گلیکول می­شوند، بنابر­این این جریان دما را ابتدا در یک فرایند سرد می­ کنند[۱۴].
فصل دوم
شبیه­سازی دینامیک مولکولی
شبیه­سازی رایانه­ای یکی از بهترین روش­های موجود برای بررسی ساختار مواد است. شبیه­سازی­های رایانه­ای روشی مناسب برای بررسی سامانه­ها می­باشد و معمولاً نتایج به دست آمده از آن دارای تطابق خوبی با نتایج تجربی است. تعداد روش­های شبیه­سازی زیاد است که به­عنوان مثال می­توان به روش­های دینامیک مولکولی^[۱۱]، مونت­کارلو^[۱۲]، دینامیک تصادفی^[۱۳]، مونت­کارلوی کوانتومی^[۱۴]، دینامیک مولکولی آغازین^[۱۵]، نظریه­ تابعی چگالی و … اشاره کرد [۱۷].
۲-۱- تاریخچه­ شبیه­سازی
روش دینامیک مولکولی ابتدا توسط آلدر^[۱۶] و وین­رایت^[۱۷] [۱۹،۱۸] در اواخر دهه­ ۱۹۵۰ میلادی به منظور مطالعه­ بر­همکنش­های مدلی از کرات سخت معرفی شد. از این مطالعه، ایده­های بسیار مهمی درباره رفتار مایعات ساده حاصل شد. پیشرفت عمده­ی بعدی در سال ۱۹۶۴ میلادی زمانی حاصل گردید که رحمان^[۱۸] [۲۰] نخستین شبیه­سازی را با بهره گرفتن از پتانسیل لنارد- جونز برای آرگون انجام داد.
اولین شبیه­سازی روی پروتئین توسط مک­کامن^[۱۹] [۲۱] و همکاران در سال ۱۹۹۷ میلادی روی بازدارنده­های تیپسین در لوزالمعده­ی گاو انجام شد. امروزه نمونه­های زیادی از شبیه­سازی روی پروتئین­های حل­شده، کمپلکس­های پروتئین-DNA و سامانه­های لیپیدی در مقاله­ها یافت می­ شود که شامل بررسی ترمودینامیکی پیوند لیگاند و تا­خوردگی پروتئین­های کوچک می­باشند. شبیه­سازی رایانه­ای با معرفی روش­های تعادلی در تعیین خواص انتقالی و با در نظر گرفتن اثرات مکانیک کوانتومی توسعه یافته است.
۲-۲- شبیه­سازی دینامیک مولکولی
دینامیک مولکولی شکلی از شبیه­سازی رایانه­ای است که در آن اتم­ها و مولکول­ها اجازه دارند برای یک بازه­ی زمانی معین تحت قوانین خاص با­هم بر­همکنش داشته باشند و طرحی از حرکت اتم­ها را ارائه کنند.
دینامیک مولکولی روشی مناسب برای محاسبه­ی خواص تعادلی و انتقالی سامانه­ها می­باشد. در شبیه­سازی دینامیک مولکولی قوانین مکانیک کلاسیک به ویژه قوانین نیوتن برای بررسی تحول زمانی اتم­ها به کار برده می­ شود. در این شبیه­سازی، ابتدا نمونه­ اولیه تهیه شده یا به زبان شبیه­سازی، مکان­ها و سرعت­های اولیه­ ذرات سامانه مشخص می­ شود. سپس مدل پتانسیل برای محاسبه­ی نیروی وارد بر ذرات موجود در سامانه­ی Nذره­ای انتخاب می­ شود. پس از حل معادلات حرکت که در مورد سامانه­های کلاسیکی می ­تواند معادله­ نیوتن باشد، مکان­ها و سرعت­های جدید سامانه محاسبه می­ شود و این کار تا زمانی ادامه دارد که سامانه به تعادل برسد. پس از رسیدن به تعادل، اندازه ­گیری­های واقعی بر­روی سامانه انجام می­ شود. نکته­ای که باید به آن توجه داشت این است که شبیه­سازی دینامیک مولکولی نیز مانند سایر روش­ها با خطا همراه است. برای کاهش میزان خطای آماری، زمان شبیه­سازی و یا تعداد اندازه ­گیری­ها برای عمل متوسط­گیری باید افزایش یابد.
۲-۳- سامانه­های مدل و پتانسیل­های بر­همکنش
بزرگترین جزء سازنده در یک شبیه­سازی، مدلی است که برای یک سامانه­ی فیزیکی مورد مطالعه به­کار می­رود. در شبیه­سازی دینامیک مولکولی، واقعیت^[۲۰] با یک مدل بیان می­ شود. هر چند یک سامانه­ی واقعی بسیار پیچیده است، اما در یک شبیه­سازی با ساده­سازی و استفاده از تقریب­ها و به بیان دیگر با ارائه­ یک مدل می­توان نتایجی نزدیک به واقعیت به­دست آورد. یک مدل از دو قسمت تشکیل شده است:
بر­همکنش بین مولکول­های سازنده­ی سامانه
بر­همکنش بین مولکول­ها و محیط اطراف
هدف در شبیه­سازی دینامیک مولکولی، محاسبه­ی موقعیت و اندازه­ حرکت مولکول­ها در مدل است. ایده­ اصلی در این محاسبات، بررسی حرکت مولکول­های سازنده­ی سامانه یعنی موقعیت­ها، سرعت­ها و تغییرات آن­ها است. بنابر­این می­توان گفت مهم­ترین مرحله در دینامیک مولکولی، طرح یک مدل مناسب برای توصیف سامانه است. برای شبیه­سازی یک سامانه­ی فیزیکی این نکته به معنی انتخاب یک پتانسیل پیکربندی مناسب است. پتانسیل پیکربندی، پتانسیل حاکم بر ذرات موجود در سامانه است، وقتی که آن ذرات پیکربندی ویژه­ای دارند. در واقع اهمیت اساسی در بررسی یک سامانه، شناخت حالت سامانه است. در مکانیک کلاسیک، حالت سامانه با آگاهی کامل از موقعیت و اندازه­حرکت آن تعیین می­ شود. اگر موقعیت و اندازه­حرکت ذره­ای مشخص باشد، آینده­ی آن معین خواهد بود. با دانستن پتانسیل پیکربندی، می­توان نیرو­های حاکم بر­سامانه را با بهره گرفتن از معادله­ حرکت نیوتن محاسبه کرد:
(۲-۱)
در معادله (۲-۱) ، F_i نیروی وارد شده بر ذره­ی iام در یک سامانه­ی Nذره­ای، توسط N-1 ذره­ی دیگر است. m جرم ذره، r بردار مکان، V پتانسیل پیکربندی و r^N نماینده­ی مجموعه بردار­های مکانی مرکز جرم اتم­ها است: r^N={r¹, r², r³, …, r^N}. در واقع، r^N پیکربندی سامانه را مشخص می­ کند. با بهره گرفتن از انتگرال­گیری از معادله­ (۲-۱) می­توان مکان و اندازه­حرکت هر ذره­ی سازنده­ی سامانه را با گذشت زمان به دست آورد.
ساده­ترین روش برای استفاده از پتانسیل پیکربندی V، استفاده از تقریب جمع­پذیر جفت­گونه است:
(۲-۲)
که بر­اساس معادله­ (۲-۲) ، V حاصل جمع پتانسیل­های جفت­های موجود در سیستم و ϕ پتانسیل جفت است.
۲-۴- معرفی مدل پتانسیل برای برهمکنش بین مولکول­های سازنده­ی سامانه
به­ طور معمول در مدل­های مکانیک مولکولی، یک مولکول را به­ صورت مجموعه ­ای از گلوله­ها (اتم­ها) و میله­ها (پیوندها) نمایش می­ دهند. میدان نیرو تابعی ریاضی شامل مجموعه ­ای از پارامترهای بین­مولکولی و درون­مولکولی است که تابع انرژی پتانسیل سامانه­ی U(r,N) توسط آن­ها بیان می­ شود. به­ طور کلی، تابع انرژی پتانسیل در سامانه­ی مولکولی را می­توان به­ صورت معادله (۲-۳) خلاصه کرد:
(۲-۳)
سه جمله­ اول بر­همکنش­های پیوندی درون­مولکولی را شامل می­شوند و به­ترتیب سهم­های انرژی مربوط به کشش پیوندی، خمش زاویه­ای و حرکت پیچشی (چرخش حول پیوند­های ساده) را نشان می­ دهند.
بر­همکنش­های بین­مولکولی (ناپیوندی) نیز در جمله­ انتهایی مشخص شده است که شامل دو سهم انرژی بر­همکنش واندروالسی با پتانسیل لنارد- جونز و انرژی بر­همکنش­های الکتروستاتیک با پتانسیل کولنی است. پتانسیل مورد استفاده، پتانسیل لنارد- جونز می­باشد که این پتانسیل دارای جاذبه­ای با برد بلند و یک نقطه­ی کمینه در حوالی σ۱۲۲/۱ است. جمله­ دافعه­ای در فواصل کم غالب و جمله­ جاذبه­ی در فواصل زیاد غالب است.
۲-۵- معرفی مدل پتانسیل برای بر­همکنش بین سامانه و محیط
قسمت دوم مدل در شبیه­سازی شامل شرایط مرزی است که توصیف­کننده­ چگونگی برهمکنش مولکول­ها با محیط اطراف آن­ها می­باشد. ویژگی شرایط مرزی به طور عمده تحت تأثیر شرایط فیزیکی سامانه­ای است که شبیه­سازی روی آن انجام می­ شود.
۲-۵-۱- شرایط مرزی دوره­ای^[۲۱]
به کمک شرایط مرزی دوره­ای می­توان با بهره گرفتن از تعداد نسبتاً کمی از ذره­ها یک شبیه­سازی را به گونه ­ای انجام داد که نیرو­های وارد بر ذره­ها مشابه شرایط توده­ی یک سیال واقعی باشد. یک جعبه­ی مکعبی محتوی ذره­ها را در نظر بگیرید که تا بی­نهایت در تمام جهات فضا تکرار شده و یک آرایه­ی متناوب را تولید کرده است. در شکل (۲-۱) یک جعبه­ی دو­بعدی نشان داده شده است[۲۳] که، هر جعبه با ۸ جعبه­ی همسایه احاطه شده و در حالت سه­بعدی، هر جعبه دارای ۲۶ همسایه­ی نزدیک^[۲۲] است. مختصات ذره­ها در جعبه­های مجازی را می­توان به­سادگی با اضافه-کم­کردن مضرب­های صحیحی از ابعاد جعبه به­دست آورد. بنابر­این، نیازی به ذخیره­کردن تمام این مختصات (که تعداد آن­ها بی­نهایت است) وجود ندارد. اگر در حین شبیه­سازی ذره­ای جعبه را ترک کند، یک ذره مجازی از وجه مقابل جعبه وارد و جایگزین این جعبه می­ شود؛ بنابر­این، تعداد ذره­ها (یا دانسیته­ی تعداد) در جعبه­ی مرکزی ثابت می­ماند شکل (۲-۱).
شکل (۲- ۱) شرایط مرزی دوره­ای [۲۳]
سلول مکعبی^[۲۳] ساده­ترین سیستم متناوب است که تجسم و برنامه­سازی آن به­راحتی امکان­ پذیر است. با این حال، ممکن است یک شبیه­سازی خاص، مستلزم استفاده از شکل دیگری از سلول متناوب باشد. این امر به­ ویژه در شبیه­سازی سیستم­های متشکل از یک مولکول و یا کمپلکس­های بین­مولکولی که با حلال احاطه شده ­اند، اهمیت دارد. در چنین سیستم­هایی معمولاً رفتار مولکول حل­شونده مرکزی است که بیش­ترین اهمیت را دارد [۱۷].
۲-۵-۲- قطع پتانسیل و قرار­داد نزدیک­ترین تصویر
اعمال شرایط مرزی دوره­ای در شبیه­سازی سلول مکعبی به طول L، تعداد همسایه­ها را به نسبت کم می­ کند و باعث صرفه­جویی در زمان می­ شود. این امر مشخص­کننده­ قرار­داد حداقل تصویر برای به­دست­ آوردن نیرو­ها است. بر­اساس این قرار­داد، به ازای هر ذره­ی i از بین ذره­ی j و همه تصاویر آن، نزدیک­ترین ذره انتخاب می­ شود و بقیه­ی ذرات کنار گذاشته می­شوند. در حقیقت، فقط نزدیک­ترین ذره برای بر­همکنش در نظر گرفته می­ شود. اعمال این شرایط اجرای برنامه­ی دینامیک مولکولی را فوق­العاده ساده می­ کند [۲۲].
پتانسیل­های جفتی کوتاه­برد با افزایش فاصله­های بین­مولکولی سریعاً از بین می­روند. برای پتانسیل لنارد- جونز در فاصله­های بیشتر از σ۵/۲ سریعاً به صفر می­رسد. می­توان از بر­همکنش جفتی مربوط به فاصله­های بزرگتر از σ۵/۲ در پتانسیل لنارد- جونز صرف­نظر کرد. فاصله­ی σ۵/۲ را فاصله قطع^[۲۴] می­نامند و با r_c نمایش می­ دهند. فاصله­ی قطع فاصله­ای است که در فواصل بیشتر از آن، جفت ذرات یکدیگر را نمی­بینند. فاصله­ی قطع نباید بیشتر از باشد (L طول جعبه­ی شبیه­سازی است)، تا با قرار­داد حداقل تصویر سازگاری داشته باشد [۲۲].
۲-۶- الگوریتم انتگرال­گیری زمانی
اساس محاسبات دینامیک مولکولی، بر پایه­ الگوریتم انتگرال­گیری زمانی از معادله­ حرکت است. در واقع، بر­اساس این الگوریتم، از معادله­ حرکت، بر حسب زمان انتگرال­گیری و مسیر­ها (موقعیت و اندازه­حرکت) محاسبه می­ شود. الگوریتم انتگرال­گیری زمانی بر پایه­ روش «اختلاف ناچیز^[۲۵]» است که در آن زمان، به شبکه ­های^[۲۶] کوچک و محدود قسمت می­ شود. یک گام زمانی Δt فاصله­ی بین دو نقطه­ی متوالی در شبکه است. به این ترتیب اگر اطلاعات موقعیت و دیگر خصوصیات وابسته به زمان در لحظه­ t مشخص باشد، می­توان با انتگرال­گیری از معادله­ حرکت، مقادیر مشابه را برای زمان بعدی t+Δt محاسبه کرد. با ادامه­ این محاسبه، می­توان تحول زمانی^[۲۷] سامانه را در یک زمان طولانی بررسی و دنبال کرد.
۲-۶-۱- الگوریتم ورله
الگوریتم ورله^[۲۸]، متداول­ترین روش انتگرال­گیری از معادله­های حرکت در شبیه­سازی­های مولکولی است. این روش با بهره گرفتن از r(t)، a(t) و r(t-δt) موقعیت­های جدید بعدی، r(t+δt) را محاسبه می­ کند. این کار با بهره گرفتن از معادله­ (۲-۴) انجام می­ شود:
(۲-۴)
همان­طور که مشاهده می­ شود، سرعت­ها به­ طور مستقیم در این الگوریتم وارد نمی­شوند. سرعت­ها هنگام جمع­کردن معادله­های حاصل از بسط تیلور حول r(t) در دو جهت مختلف حذف می­ شود:
(۲-۵)