دانشكده‌ی مهندسي شيمي، نفت و گاز
پایاننامه‌ی کارشناسی ارشد در رشته‌ی
مهندسي شيمي (شبیه سازی و کنترل فرآیند)
مدلسازی و شبیه‌سازی فرآیند نمک‌زدایی الکترواستاتیک نفت خام
به کوشش
الهام آریافرد
استادان راهنما
دکتر محمدرضا رحيم‌پور
دكتر سونا رئیسی
اسفندماه 1393
تقدیم به:
” آنان که هر لحظه دعایشان را احساس می‌کنم”
سپاسگزاری
اکنون که به یاری خداوند این رساله به پایان رسیده است بر خود لازم میدانم از پدر و مادر عزیزم که همواره پشتیبان من بوده‌اند و آرامش روحی را فراهم نمودند تا با آسایش خاطر مقاطع تحصیلی‌ام را به پایان برسانم کمال تشکر را داشته باشم. از تلاشهای بیکران اساتید گرامی جناب آقای دکتر رحيم‌پور و سرکار خانم دکتر رئیسی که راهنمایی این پایان‌نامه را به عهده داشتند، تشکر می‌نمایم. سپاس بیدریغ خود را نثار استاد گرانقدر جناب آقای دكتر فارسی مینمایم که با سعه صدر در کلیه مراحل انجام پروژه، با فضل و دانش و سخاوت علمی خود راهنما و مشاور اینجانب بودهاند. در پایان از تمام دوستانی که مرا در این راه یاری کردهاند، تشکر میکنم.
چکیده

مدلسازی و شبیه‌سازی فرآیند نمک‌زدایی الکترواستاتیک نفت‌خام

به کوشش
الهام آریافرد

هدف از این پژوهش مدلسازی فرآیند نمک‌زدایی از نفت خام بر اساس روش موازنه جمعیت می‌باشد. بدین منظور فرآیند نمک‌زدایی الکترواستاتیک یک و دو مرحله‌ای که شامل شیر اختلاط و مخزن الکترواستاتیک می‌باشد، در حالت پایا مدلسازی شده است. به منظور بررسی صحت مدلسازی انجام شده، نتایج حاصل با داده‌های صنعتی موجود مقایسه شده‌اند. در فرآیند نمک‌زدایی الکترواستاتیک ابتدا آب تازه به امولسیون آب و نفت اضافه شده و در اثر عبور از شیر اختلاط آب تازه با آب همراه نفت ترکیب می‌شود. سپس امولسیون تولیدی به مخزن الکترواستاتیک وارد شده و تحت تأثیر نیروی الکتریکی قطرات با یکدیگر برخورد کرده و در اثر نیروی ثقل ته‌نشین می‌شوند. در ابتدا اثر افت فشار شیر اختلاط، دمای فازهای پیوسته و پراکنده، شدت میدان الکتریکی و دبی آب رقیق‌کننده بر روی راندمان‌های جداسازی‌های آب و نمک یک مرحله‌ای مورد بررسی قرار گرفته است. در فرآیند دو مرحله‌ای، تأثیر آب تازه افزوده شده به مرحله دوم، افت فشار شیر اختلاط مرحله دوم و همچنین شدت میدان الکتریکی مراحل اول و دوم بر راندمان جداسازی آب و مقدار نمک خروجی از واحد بررسی گردیده است. در ادامه دستگاه الکترواستاتیک با میدان الکتریکی متناوب عمودی مدلسازی شده است و نتایج حاصل از آن با میدان الکتریکی افقی مقایسه شده است.
کلید واژه‌ها: امولسیون آب نمک در نفت خام، شیر اختلاط، دستگاه نمک‌زدا الکترواستاتیکی، موازنه جمعیت
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه و مفاهیم اولیه2
1-1- مقدمه2
1-1-1- عوامل موثر در پایداری امولسیون‌ها4
1-2- تاریخچه جدا کردن آب از نفت خام7
1-3- روش‌های جداسازی آب‌نمک از نفت خام8
1-3-1- ته‌نشيني توسط نيروي ثقل8
1-3-2- روش‌ حرارتي9
1-3-3- استفاده از مواد شيميايي9
1-3-4- شست‌وشو با آب خالص‌تر10
1-3-5- روش‌های مكانيكي10
1-3-5- روش الکتريكي11
1-3-6- استفاده از غشاء12
1-3-7- استفاده از امواج اولتراسونیک و میکروویو12
1-3-8- روش بیولوژیکی13
1-4- شرح فرآیند نمک‌زدایی الکترواستاتیک13
1-5- امولسیون‌سازی در شیر اختلاط16
1-5-1- راندمان اختلاط17
1-5-2- آب رقیق‌کننده17
1-6- اصول نمک‌زدایی الکترواستاتیکی19
1-6-1- جریان متناوب19
1-6-2- جریان مستقیم21
1-6-3- ترکیب میدان‌های متناوب و مستقیم22
1-6-4- فرکانس دوگانه24
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته26
2-1- مطالعات صورت گرفته در زمینه امولسیون‌سازی26
2-2- مطالعات صورت گرفته در زمینه جداسازی آب از نفت28
فصل سوم: مدلسازی33
3-1- معادله موازنه جمعیت33
3-2- مدلسازی شیر اختلاط35
3-2-1- تابع شکست36
3-2-2- ضریب به هم چسبیدگی38
3-3- آنالیز مسیر حرکت قطره در حضور میدان الکتریکی40
3-3-1- نیروی الکتریکی القایی40
3-3-2- نیروی واندروالس43
3-3-3- توابع حرکت نسبی45
3-3-4- معادله مسیر حرکت46
3-4- مدلسازی دستگاه نمک‌زدای الکترواستاتیک تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی متناوب افقی و عمودی47
3-5- خواص فیزیکی آب نمک و نفت خام50
3-6- روش حل معادله موازنه جمعیت52
فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده‌ها56
4-1- نتایج حاصل از مدلسازی شیر اختلاط56
4-2- نتایج آنالیز حرکت قطرات در حضور میدان الکتریکی متناوب60
4-3- نتایج حاصل از مدلسازی دستگاه الکترواستاتیک62
4-3-1- دستگاه الکترواستاتیک یک مرحله‌ای میدان افقی64
4-3-2- ارزیابی صحت مدلسازی انجام شده72
4-3-3- دستگاه الکترواستاتیک دو مرحله‌ای میدان افقی74
4-3-4- دستگاه الکترواستاتیک میدان عمودی81
فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات84
مراجع86
چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3-1 خواص فیزیکی آب-نمک و نفت خام51
جدول 4-1 ویژگی‌های جریان ورودی به شیر اختلاط57
جدول 4-2 ویژگی‌های شیر اختلاط57
جدول 4-3 مشخصات دستگاه الکترواستاتیک65
جدول 4-4 تأثیر شدت جریان بر راندمان جداسازی آب از نفت خام67
جدول 4-5 تأثیر افت فشار بر راندمان جداسازی آب69
جدول 4-6 اعتبارسنجی مدلسازی انجام شده74
جدول 4-7 مشخصات جریان‌های ورودی به مراحل اول و دوم دستگاه‌های نمک‌زدایی75
جدول 4-8 مقایسه نتایج حاصل از مدلسازی و اطلاعات صنعتی79
جدول 4-9 تأثیر دبی آب تازه مرحله دوم بر راندمان‌های جداسازی هر دو مرحله80
جدول 4-10 تأثیر شدت میدان الکتریکی بر فرآیند نمک‌زدایی دو مرحله‌ای80
جدول 4-11 تأثیر افت فشار شیر اختلاط بر فرآیند نمک‌زدایی دو مرحله‌ای81
جدول 4-12 مقایسه راندمان‌های جداسازی در میدان‌های افقی و عمودی82
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 1-1 نمای کلی واحد نمک‌زدایی 14
شکل 1-2 نمونه‌ای از شیر اختلاط صنعتی17
شکل 1-3 کریستال نمک در نفت خام 19
شکل 1-4 میدان AC و صفحات مشبک افقی 20
شکل 1-5 تأثیر میدان الکتریکی متناوب بر جابجایی بارهای الکتریکی 21
شکل 1-6 میدان DC و صفحات عمودی 22
شکل 1-7 میدان ترکیبی 23
شکل 3-1 تولد و مرگ قطرات 36
شکل 3-2 تغییر شکل قطره در حضور میدان الکتریکی 41
شکل 3-3 پلاریزه شدن قطره‌ها در میدان الکتریکی 42
شکل 3-4 نیروی‌های الکتریکی وارد بر قطره در حضور میدان 43
شکل 3-5 فرم المانی دستگاه الکترواستاتیک48
شکل 3-6 بیان گرافیکی روش کلاس‌ها 53
شکل 4-1 نحوه تغییر توزیع قطرات آب در مقاطع مختلف شیر اختلاط58
شکل 4-2 جزء حجمی قطرات با قطرهای مختلف در خروجی از شیر اختلاط59
شکل 4-3 نحوه توزیع قطرات آب در شیر اختلاط با تغییر اختلاف فشار60
شکل 4-4 مسیر حرکت نسبی قطره‌ها در میدان الکتریکی متناوب افقی62
شکل 4-5 تأثیر فاصله اولیه دو قطره در میدان الکتریکی متناوب افقی63
شکل 4-6 مسیر حرکت نسبی قطره‌ها در میدان الکتریکی متناوب عمودی64
شکل 4-7 فرآیند یک مرحله‌ای نمک‌زدایی الکترواستاتیک با صفحات عمودی65
شکل 4-8 توزیع قطرات آب در طول دستگاه الکترواستاتیک66
شکل 4-9 تأثیر شدت میدان الکتریکی بر تعداد قطرات خروجی از بالای دستگاه67
شکل 4-10 تأثیر اختلاف فشار بر قطرات خروجی از بالای دستگاه69
شکل 4-11 تأثیر دبی آب تازه بر راندمان جداسازی آب70
شکل 4-12 تأثیر دما بر خروجی از شیر اختلاط71
شکل 4-13 تأثیر دما بر خروجی دستگاه نمک‌زدا72
شکل 4-14 تأثیر دمای فاز پراکنده بر توزیع قطرات جریان خروجی از فرآیند73
شکل 4-15 فرآیند دو مرحله‌ای نمک‌زدایی الکترواستاتیک75
شکل 4-16(الف) توزیع قطرات مرحله اول امولسیون‌سازی76
شکل 4-16(ب) توزیع قطرات مرحله دوم امولسیون‌سازی77
شکل 4-17(الف) توزیع قطرات آب در مرحله اول نمک‌زدایی78
شکل 4-17(ب) توزیع قطرات آب در مرحله دوم نمک‌زدایی79
شکل 4-18 مقایسه جریان خروجی از میدان‌های افقی و عمودی82
فهرست نشانه‌های اختصاری
ضریب HamakerAعدد بوندBiعدد مویینگیCaضرفیت گرمایی ویژهCpقطر قطرهdراندمان برخوردeijشدت میدان الکتریکیEاحتمال تولد قطرهv از شکست قطره wf (v,w)نیروFشدت جاذبه زمینgتابع شکستg (v)سرعت تولید ذراتHثابت قابل تنظیم معادلهkثابت بولتزمنkBتعداد قطرات حاصل از شکست قطره wm (w)متوسط تعداد ذرات در واحد حجمnتعداد برخورد ناشی از حرکات براونیNbrownتعداد برخورد ناشی از جریان آشفتهNturbulentفشارPفاصله بین مراکز قطراتrسرعت تغییر مختصات خارجیṘفاصله بدون بعد قطراتsغلظت نمکSزمانtدماTسرعتuحجم قطرهvسرعت قطره i نسبت به قطره j تحت تأثیر نیروی گرانش V(0)ijحجم قطرهwعدد وبرWeسرعت تغییر مختصات داخلیẊمختصات فضایی (مکان)z
فصل اول
مقدمه و مفاهیم اولیه
1-1- مقدمه
همواره نفت خام استخراج شده از چاه با ناخالصی‌های مختلفی از جمله گل، ذرات جامد، آب، نمک، املاح، مقادیر اندکی از فلزات وانادیوم، نیکل، مس، کادمیوم، سرب، و آرسنیک همراه است. این ناخالصی‌ها می‌بایست قبل از ورود به پالایشگاه به حداقل میزان ممکن برسند تا از بروز مشکلات جلوگیری شود. در بین ناخالصی‌ها،‌ خطرناک‌ترین آن‌ها وجود نمک در نفت خام است. ترکیب نمک محلول در نفت خام معمولاً به صورت کلرید سدیم و نمک‌های منیزیم و کلسیم می‌باشد. با گرم نمودن نفت خام، مخلوطی از ترکیبات کلرید، سولفات‌ها و کربنات‌های جامد بر جای می‌ماند و نمک‌های حل شده در نفت هیدروژن کلرید آزاد می‌کنند. وجود حتی مقادیر اندک کلریدریک، خاصیت خورندگی ترکیبات سولفوری را افزایش می‌دهد.
وجود مقادیر زیاد آب نمک در نفت موجب بروز مشکلات بزرگ و خسارات مالی سنگین و مکرر می‌شود. زیرا:
نمک‌های محلول در آب خاصیت خورندگی1 شدید دارند و باعث سوراخ شدن دستگاه‌ها و تجهیزات گرانبهای بهره‌برداری از جمله لوله‌ها، شیرها، تلمبه‌ها، مخازن و کشتی‌های نفتکش می‌شوند. بخش‌های داخلی برج‌های تقطیر پالایشگا‌ها را سوراخ می‌کند که از سرویس خارج کردن و تعمیر آن‌ها مخارج سنگینی را به شرکت‌ها تحمیل می‌کند.
به جای ماندن رسوب املاح بر سطح داخلی تجهیزات باعث گرفتگی و افزایش افت فشار می‌شود، لوله‌های دستگاه‌های گرم کننده نفت را مسدود نموده و سبب بالا رفتن حرارت و فشار آن‌ها می‌شود.
موجب مسمومیت کاتالیست شده و کاتالیست را غیر فعال می‌کند یا فعالیت آن را کاهش می‌دهد.
قسمتی از مخازن و لوله‌های نفت توسط آب اشغال می‌شود، در نتیجه هزینه‌های ثابت و عملیاتی افزایش می‌یابد و حجم نفت ارسالی نیز کاهش خواهد یافت.
کیفیت و خواص نفت تغییر می‌کند. دانسیته نفت خام می‌تواند از kg/m3 800 برای نفت خالص تا kg/m3 1030 برای امولسیون تغییر کند. بیشترین تغییرات در ویسکوزیته مشاهده می‌شود که به عنوان نمونه می‌تواند از چند میلی پاسکال ثانیه تا 1000 میلی پاسکال ثانیه افزایش یابد. درجه API نفت کاهش می‌یابد،‌ در نتیجه ارزش و قیمت نفت کاهش می‌یابد [1].
آب نمک موجود در نفت خام بر اساس قطر قطرات پراکنده در آن به سه دسته آب آزاد، آب امولسیون شده و آب حل شده تقسیم می‌شود. قطرات درشت آب که به صورت آزاد در نفت پراکنده‌اند، در مدت زمانی کمتر از پنج دقیقه در ته ظرف ته‌نشین می‌شوند. بخشی از آب نیز به صورت قطرات ریز امولسیون در نفت معلق می‌ماند و هیچ‌گاه خودبه‌خود ته‌نشین نمی‌شود. هر چه قطرات ریزتر باشند جدا کردن آ‌ن‌ها از نفت خام مشکل‌تر است. آب حل شده در نفت نیز ته‌نشین نمی‌شود و در عمل تنها راه جداسازی آن، پایین آوردن درجه حرارت است. حلالیت آب در نفت تا حد زیادی تابع درجه حرارت و نوع هیدروکربن‌های موجود در نفت خام است.
امولسیون به مخلوطی اطلاق می‌شود که قطرات یک مایع غیر قابل حل در مایع دیگر، پراکنده شده باشند. امولسیون‌ها در صنایع مهمی از جمله صنایع غذایی، آرایشی، تولید خمیر کاغذ و مقوا، سیالات بیولوژیکی، دارویی، صنعت کشاورزی و مهندسی نفت یافت می‌شوند [2]. مایعی که به صورت قطرات کوچک پراکنده و ناپیوسته است را فاز پراکنده، و مایعی که آن‌ها را احاطه کرده را فاز پیوسته نامند.
1-1-1- عوامل موثر در پایداری امولسیون‌ها
امولسیون آب در نفت خام ممکن است در هر یک از مراحل تولید نفت و صنایع فرآیندی به‌وجود آید؛ و به وسیله‌ی طیف وسیعی از مواد طبیعی موجود در نفت یا عوامل مختلف، پایدار بماند. پایداری امولسیون‌ها وابسته به عوامل مختلفی است که در ادامه به آن‌ها اشاره خواهد شد [3].
1-1-1-1-اندازه قطره‌ها

هرچه قطر قطرات فاز پراکنده بزرگتر باشد، امولسيون ناپايدارتر خواهد بود. بنابراین اگر با استفاده از روش‌هاي فيزيكي و شيميايي بتوان قطرات امولسيون را به هم متصل کرد، قطرات بزرگتري بوجود می‌آيد که در اثر اختلاف وزن مخصوص آب نمك و نفت ته‌نشين می‌شوند.

1-1-1-2- اختلاف دانسیته فاز پیوسته و فاز پراکنده

همان‌طور که ذکر شد، عامل ته‌نشین شدن قطرات آب پراکنده در نفت، اختلاف دانسیته بین دو فاز می‌باشد. اگر اختلاف دانسیته فاز پیوسته و فاز پراکنده کم باشد, امولسیون پایدارتر است و جداسازی فاز پراکنده سخت‌تر صورت می‌گیرد. وجود نمک در آب موجب افزایش دانسیته امولسیون شده، در نتیجه اختلاف دانسیته بین آب و نفت افزایش می‌یابد. لذا ته‌نشین شدن قطرات آب با سرعت بیش‌تری صورت می‌گیرد.

1-1-1-3- ویسکوزیته

به طور کلی امولسیون‌ها سیالات غیرنیوتنی هستند و در امولسیون آب-نفت، مقدار ویسکوزیته وابسته به مقدار آب نمک موجود در نفت است. هرچه ویسکوزیته فاز پیوسته بیشتر باشد، سرعت ته‌نشینی قطره‌ها، طبق قانون استوکس، کمتر شده بنابراین امولسیون پایدارتر است و فاز پراکنده دیرتر ته‌نشین می‌شود. از طرفی هرچه ویسکوزیته فاز پراکنده بیشتر باشد احتمال شکست قطره‌ها به قطرات کوچک‌تر، کمتر است و امولسیون ناپایدارتر خواهد بود. بنابراین پایداری امولسیون به ویسکوزیته هر دو فاز پراکنده و پیوسته وابسته است اما ویسکوزیته فاز پیوسته از اهمیت بیشتری برخوردار است. وجود یک فاز خارجی با ویسکوزیته بالا ضریب نفوذ و فرکانس برخورد قطره ها را کم می‌کند، بنابراین پایداری امولسیون را افزایش می‌دهد. با توجه به اینکه ویسکوزیته مایعات با افزایش دما کاهش می‌یابد، لذا دما یکی از مهم‌ترین پارامترها در جداسازی قطرات فاز پراکنده از پیوسته می‌باشد. با افزایش دما ویسکوزیته فاز پیوسته کاهش یافته لذا سرعت ته‌نشینی قطرات افزایش می‌یابد. اما افزایش دما موجب افزایش فشار بخار نفت خام می‌شود که امری نامطلوب می‌باشد.

1-1-1-4- غلظت مواد تعلیق‌کننده و تعلیق‌شکن

در محيط امولسيون ترکیباتی به نام مواد فعال سطحی وجود دارند كه با ایجاد لایه بسيار نازكی اطراف قطرات موجب ثبات امولسيون مي‌گردند. از جمله‌ی این مواد می‌توان به آسفالتن‌ها2، رزین‌ها3، سورفکتنت‌های طبیعی4 و جامداتی از قبیل کلی5 و واکس6 اشاره کرد [1]. از طرفی، مواد تعليق‌شکن به عنوان ناپایدار کننده امولسیون استفاده شده و به طور ويژه براي هر چاه نفت تعريف مي‌شوند. مواد تعليق شکن باعث شکستن و از بين رفتن لايه‌ي فيلم نازک تشکیل شده توسط مواد امولسیون کننده، می‌شوند. مواد تعلیق‌شکن چهار وظیفه اصلی را به عهده دارند:
جذب قوی در فصل مشترک آب-نفت: این مواد بایستی جایگزین عوامل تعلیق‌کننده‌ای که بر روی سطح قطرات قرار گرفته‌اند شوند؛ یا اثر آن‌ها را خنثی کنند.
دلمه‌سازی: این مواد بایستی هرگونه دافعه بارهای الکتریکی بین قطرات پخش شده را خنثی کرده و عاملی برای تماس آن‌ها با یکدیگر شوند.
انعقاد: این مواد بایستی به قطرات کوچک اجازه دهند تا با یکدیگر ترکیب شده و قطرات بزرگتری به وجود آورند و در نهایت ته‌نشین شوند. این امر نیازمند آن است که پایدار کننده امولسیون و فیلم اطراف قطرات از هم گسسته شود.
خیس‌کنندگی جامدات: تعلیق‌شکن بایستی از ایجاد مانع فیزیکی در طی انعقاد در سطح قطره‌ها، به‌وسیله ذرات ریز جلوگیری کند. خاک رس، گل حفاری و ذرات ریز سولفیدهای آهن قابلیت خیس‌شدگی با آب را دارند؛ همین عامل باعث می‌شود تا این مواد از لایه فیلمی در فصل مشترک قطره‌های آب و نفت، خارج شده و به داخل ذرات آب مهاجرت کنند. آسفالتن‌ها و واکس‌ها نیز توانایی انحلال و خیس‌شدگی با نفت و نهایتاً پخش شدگی در فاز پیوسته را دارند.

1-1-1-5- نسبت حجم فازها

افزایش حجم فاز پراکنده یا تعداد قطره‌ها، مساحت فصل مشترک و انرژی سطحی اضافی را افزایش می‌دهد. هم‌چنین این امر باعث می‌شود فاصله بین قطره‌ها کاهش پیدا کرده که این پدیده برخورد قطره‌ها را افزایش می‌دهد. به طور کلی این عامل پایداری امولسیون را کاهش می‌دهد.

1-1-1-6- دما

دما تأثیر چشمگیری بر پایداری امولسیون دارد. افزایش دما موجب کاهش ویسکوزیته فاز پیوسته شده و سرعت حرکت قطرات را افزایش می‌دهد. از طرفی با تغییر نیروی کشش بین سطحی و حلالیت نسبی عوامل انعقاد‌کننده، لایه نازک فصل مشترک را مختل می‌کند. به طور کلی تمام این موارد پایداری امولسیون را کاهش می‌دهند. هم‌چنین موجب افزایش فشار بخار نفت خام می‌شود.

1-2- تاریخچه جدا کردن آب از نفت خام

قبل از پيدايش صنعت نفت در سال 1885 ميلادي، هدف از جدا كردن آب شور از نفت خام بازيافت نمك بوده است. در طی فرآیند بازيافت نمك، مقداري نفت خام نيز توليد مي‌شده است. مخلوط آب و نفت در يك گودال روباز قرار داده مي‌شده و آنقدر صبر مي‌كردند تا لايه‌هاي نفت خام جدا شده و روي آب شور جمع شود. سپس نفت را از گودال خارج كرده و محصول اصلي كه نمك بوده را از آب بازيافت مي‌كردند. پس از اينكه متوجه شدند ارزش نفت خام از نمك توليد شده بيشتر است، روش مشابهي براي جدا كردن آب از نفت خام به‌كار می‌بردند. لايه‌اي در فصل مشترك آب و نفت تشكيل مي‌گرديد كه تصور مي‌شد ماده‌ا‌ي خطرناك است بنابراین آن را به گودال‌هاي روباز برده و مي‌سوزاندند.
پيش از سال 1900 ميلادي معلوم شد كه اين ماده خطرناك مخلوطي از نفت خام، آب و مواد جامد است كه به صورت امولسيون درآمده و ذرات جامد در سطح مشترک دو فاز تجمع کرده‌اند. لذا مشخص شد از لحاظ اقتصادي سوختن و از بين بردن آن درست نيست. در سال‌هاي بعد تلاش‌هايي جهت شكستن امولسيون‌هاي نفتي و جدا کردن آب و نفت صورت گرفت. از آن جمله می‌توان به حرارت دادن نفت به‌وسیله لوله‌هاي حاوي بخار آب و ته‌نشيني در گودال‌هاي بزرگ اشاره کرد که هیچ‌کدام به اندازه کافی موفقيت‌آميز نبوده است.
در سال 1906 تحولات بيشتري در حوزه شكستن امولسيون آب و نفت ارائه شد. در اين سال كاترل دستگاه الكترواستاتيك را براي ته‌نشين كردن مواد جامد همراه با آب، از نفت خام تكميل نمود. او با آگاهي از تلف شدن مقدار زيادي از نفت خام كاليفرنيا به‌صورت امولسيون اصولي براي جدا كردن قطرات آب از نفت خام براساس میدان الکتریکی منتشر نمود. در همين زمان ويليام بارنيكل مشغول مطالعه در زمینه استفاده از مواد شيميایي براي شكستن امولسيون آب و نفت بود. اولين موفقيت در اين مورد در سال 1913 با توليد 56000 بشكه نفت خام از شكستن امولسيون آب و نفت حاصل شد [3].

1-3- روش‌های جداسازی آب‌نمک از نفت خام
از دیرباز روش‌های مختلفی به منظور جداسازی آب از نفت مورد استفاده قرار گرفته است که در ادامه به این روش‌ها اشاره شده است [3].

1-3-1- ته‌نشيني توسط نيروي ثقل

ته‌نشيني توسط نيروي ثقل قديمي‌ترين روشي است كه براي جدا كردن آب از نفت خام استفاده شده است. در اين روش نفت خام را در يك مخزن انباشته و منتظر مي‌مانند تا قطرات آب در اثر نيروي ثقل ته‌نشين شوند. اين روش به جدا شدن آب آزاد نفت خام كمك مي‌كند. امروزه با توجه به حجم بالاي توليد نفت خام در مناطق نفتي و مسایل اقتصادي لازم است از روش‌هاي ديگري جهت تسريع عمل جداسازي استفاده شود. با توجه به اهمیت ویسکوزیته فاز پیوسته در سرعت ته نشینی قطرات آب، ایجاد دمای بهینه جهت افزایش سرعت ته نشینی از اهمیت بالایی برخوردار است.

1-3-2- روش‌ حرارتي

يكي از عوامل موثر در جدا شدن آب‌نمك از نفت, يا به‌عبارت ديگر ته‌نشيني قطرات آب نمك، حرارت است. بر اين اساس در اكثر كارخانجات نمك‌زدايي نفت را حرارت مي‌دهند. حرارت باعث ضعيف‌تر شدن ديواره خارجي قطرات آب نمك، افزایش حرکات براونی و جابجایی طبیعی و درنتیجه شدت بخشیدن بهم پیوستن قطره‌های آب، افزایش اختلاف چگالی بین آب و نفت خام و هم‌چنين كاهش ويسکوزيته نفت شده لذا جداسازي قطرات را تسهيل مي‌نمايد. ميزان حرارت نباید از حد معينی تجاوز نمايد زيرا حرارت زياد باعث جدا شدن هيدروكربن‌هاي سبك نفت مي‌شود. در نتيجه چگالي نسبي نفت بالا رفته و نفت سنگين‌تری ایجاد مي‌شود؛ از لحاظ اقتصادي نفتي كه API پايينی داشته باشد ارزش كمتري دارد. امروزه براي حرارت دادن نفت خام از گرم كننده‌هایي استفاده مي‏شود كه با گاز يا نفت كار مي‌كنند و امولسيون آب و نفت از داخل لوله‌هاي آن‌ها گذشته و گرم مي‌شود. این روش به انرژی زیادی نیاز دارد.

1-3-3- استفاده از مواد شيميايي

در اين روش به كمك تزريق مواد شيميايي سرعت ته‌نشين شدن قطرات آب نمك را بالا مي‌برند. جداره خارجي قطرات آب نمك به‌وسیله فیلمی از مواد فعال سطحی احاطه شده است. لذا تزريق مواد شيميايي تعليق‌شكن باعث شكسته شدن اين ديواره می‌شود، در نتیجه قطرات كوچك جذب يكديگر شده و قطرات بزرگتري را تشكيل می‌دهند كه جداسازي آن‌ها راحت‌تر صورت می‌گیرد. مواد شيميايي تعليق‌شكن شامل ترکيبــات کلــردار، تولــوئن، هيدروکلريت‌ها و غيره مي‌باشد كه مي‌توانند خصوصيات تمـاس بـين دو فاز آب و نفت را تغيير دهند، بنابراين به قطرات آب اجـازه مي‌دهند که راحت‌تر به قطرات بزرگتـر تبدیل شـوند.
ميزان تزريق اين مواد وابسته به نوع نفت يا مقدار آب نمك و درجه حرارت نفت است، كه بين 5 تا 100 قسمت در ميليون متغير است؛ چنانچه بيشتر از اين مقدار تزريق شود نتیجه عكس می‌دهد. لذا این مواد باید به مقدار بهینه‌ تزریق شوند. روش شيميايي در بسياري از فرآيندهاي جداسـازي به‌کار برده مي‌شود ولـي اثرات زيست محيطـي و اقتصـاد مناسـبی ندارد.

1-3-4- شست‌وشو با آب خالص‌تر

به منظور کاهش غلظت آب نمک همراه نفت خام مقداری آب به نفت اضافه می‌شود. لذا آبي كه به نفت اضافه مي‌شود بايد خالص‌تر از آب موجود در نفت خام باشد؛ به عبارت ديگر غلظت نمك در آن کمتر از غلظت آب‌نمک موجود در نفت خام باشد. اضافه كردن آب نه‌تنها غلظت نمك در آب همراه نفت خام را كاهش مي‌دهد، بلكه با افزايش تعداد قطرات آب امكان برخورد و بهم پيوستن آن‌ها را افزايش می‌دهد در نتیجه راندمان جداسازي افزایش می‌یابد.

1-3-5- روش‌های مكانيكي

از جمله روش‌های مکانیکی که در جداسازی امولسیون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد می‏توان به روش‏های فیلتر‏کردن و سانتریفیوژ اشاره کرد. در روش فیلتر کردن نفت را از ميان صافي‌هاي مخصوص عبور مي‌دهند. پس از مدتي كار كردن مي‌بايست فيلتر‌ها را تميز يا تعويض نمود.
در روش سانترفيوژ از خاصيت نيروي گريز از مركز استفاده می‌شود. به این صورت كه نفت را در ظروف مخصوص قرار مي‌دهند و آن ظروف را حول محوري مي‌چرخانند. پس از مدتي قطرات آب نمك به یکديگر متصل شده و به‌علت اختلاف دانسيته آن‌ها با نفت، ته‌نشين مي‌شوند. به‌علت توليد بالا در صنایع نفت، اين روش اقتصادي نبوده و از روش گريز از مركز بيشتر در تحقیقات آزمايشگاهي استفاده مي‌شود.

1-3-5- روش الکتريكي

آب يك ماده قطبي است، هنگامی ‌كه مواد معدني مثل نمك‌ها در آن حل مي‌شوند به علت وجود آنيون‌ها وكاتيون‌ها، حالت قطبي بودن آن تشديد مي‌شود. لذا وقتي كه آب‌نمك به‌صورت امولسيون و ذرات كروي بسيار ريز درنفت درمي‌آيد بار منفي در مركز كره و بار مثبت در سطح كره پخش می‌شود. اين طرز قرار گرفتن بار الكتريكي در ذرات امولسيون موجب پايداری قطرات مي‌شود. به همين خاطر قطره‌های آب‌نمک همواره از یکدیگر فاصله گرفته و باعث ثبات امولسيون مي‌شوند.
به منظور جداسازی قطرات ریز موجود در نفت از جريان الكتريسيته استفاده مي‌شود. بدين منظور دستگاه‌هاي جدا كننده‌اي ساخته شده‌اند كه دارای دو قطب مثبت و منفي با ولتاژ بالا و در حدود 25000-12000 ولت می‌باشند. قطرات آب پراکنده در نفت تحت تاثير نيروي الكترواستاتيكي پلاريزه می‌شوند، مراکز بار مثبت و منفی جدا شده و می‌توانند به‌صورت قطرات بيضي شکل درآیند. درنتیجه قطرات نزديك به راحتي در یکديگر ادغام شده و امولسيون ته‌نشین مي‌گردد. چنانچه قطرات خيلي بزرگ باشند، جريان الكتريسيته آن‌ها را متلاشي كرده و تبديل به قطرات كوچك‌تر مي‌كند. بنابراين برای اینکه میدان الکتریکی بتواند در جداسازی آب‌نمک از نفت موثر واقع شود، باید فاصله بين قطرات كم باشد و قطرات خيلي بزرگ نباشند. به همين منظور در سيستم‌هاي نمك‌زدايي به روش الكتريكي معمولاً آب تازه به نفت ورودي تزريق مي‌كنند تا ذرات نمك در آب حل شوند، فاصله بين قطرات كمتر شده و اندازه قطرات در وضعيت مناسبي قرار گيرند.
یک حساب سرانگشتی نشان می‌دهد یک عملیات الکترواستاتیکی با اندازه مشخص، تقریباً دو برابر یک عملیات مکانیکی با همان اندازه،‌ نفت خام فرآوری می‌کند. هم‌چنین با استفاده از جریان الکتریسیته، آب‌زدایی در دمای کمتری صورت می‌پذیرد.

1-3-6- استفاده از غشاء

قطرات بسيار ريز آب به علت حرکات تصادفي احتمال زيادي براي برخورد با غشاء دارند. آب درون منافذ مانند حلال استخراج‏کننده عمل کرده و نمک موجود در قطرات را در خود حل و خارج مي‌کند. از طرف ديگر با برخورد قطرات آب با غشاء، لايه‌ي مواد امولسيون‏کننده‌اي که اطراف قطرات آب را گرفته و باعث پايداري امولسیون شده‌اند، شکسته شده و آب مي‌تواند توسط غشاء از نفت جدا شود. بنابراين مي‌توان از غشاء براي شکستن امولسيون و هم‌چنين نمک‌زدايي استفاده نمود. اين نتايج در مقياس آزمايشگاهي بدست آمده و کاربردي بودن آن مستلزم تحقيقات بيشتر مي‌باشد. قابليت جداسازي طيف گسترده‌اي از مواد همراه پساب نمكي، عدم نياز به مواد شيميايي براي جداسازي، سيستم كاربردي و كنترلي ساده و قابليت تبدیل از مقياس پايلوتي به صنعتي، از مزاياي سيستم‌هاي غشايي است. هم اكنون چهار روش عمده جداسازي نفت از ذرات جامد معلق و پساب‌هاي همراه در واحدهاي نمك‌زدايي، با عنوان‌هاي ميكروفيلتراسيون7، اولترافيلتراسيون8، نانوفيلتراسيون9 و اسمز معكوس10 با استفاده از غشا وجود دارد كه جداسازي روش فرآيند فيلتراسيون غشايي ديناميكی فرايندي ارتقاء يافته از نوع الترافيلتراسيون و يكي از بهترين روش هاي جداسازي نفت از ناخالصي‌هاست.

1-3-7- استفاده از امواج اولتراسونیک و میکروویو

در این روش از تابش امواج میکروویو و التراسونیک استفاده می‌شود. نیروی التراسونیک وارد بر امولسیون به دلیل تفاوت سرعت صوت درون دو سیال و اختلاف دانسیته دو فاز باعث جداسازی قطره‌ها از سیال همراه می‌گردد. امواج میکروویو پیوند الکتریکی دوگانه آب و نفت را می‌شکنند در نتیجه قطره‌های آب می‌توانند آزادانه ته‌نشین شوند که این امر به جداسازی بهتر آب و نفت کمک می‌کند.
1-3-8- روش بیولوژیکی

در این روش از باکتری‌های خاصی برای شکستن امولسیون‌های نفت در آب و آب در نفت استفاده می‌شود. این روش تاکنون تجاری نشده است و در مرحله تست پایلوت باقی مانده است.

1-4- شرح فرآیند نمک‌زدایی الکترواستاتیک

روش‌هاي سنتي نمک‌زدايي از نفت خام براي نفت‌هاي سبک و متوسط با API بیشتر از 30 مناسب مي‌باشند. معمولاً نمک‌زدایی از نفت‌های سنگین در صنعت با استفاده از دستگاه نمک‌زداي الكترواستاتيکی صورت مي‌گیرد. نماي كلي از واحد بهره‌برداري و نمك‌زدايي الکترواستاتیک در شكل 1-1 نشان داده شده است. در این فرایند ابتدا نفت خام وارد مخازن گاززدایی شده و طی چندین مرحله گاز از نفت جدا می‌شود. تعداد مخازن مورد استفاده متناسب با میزان گاز همراه نفت و فشار گاز ورودی خواهد بود. نفت خروجی از مخزن گاززدایی وارد مخزن ائتلاف کننده شده و با ایجاد زمان ماند کافی، آب آزاد از نفت جدا می‌شود. با افزایش زمان ماند در این مخزن میزان جداسازی افزایش می‌یابد. ساختمان داخلي اين مخزن به گونه‌ای است كه به نفت خام اجازه مي‌دهد حدود 24 ساعت (بسته به ميزان نفت خام) در داخل مخزن بچرخد و زمان كافي براي ته‌نشين شدن قطرات آب مهيا شود. در بسیاری از تجهیزات با حرارت دادن به نفت خام و اضافه کردن مواد امولسیون شکن، سرعت جداسازی را افزایش می‌دهند. نفت خامي كه از اين مخزن خارج مي‌شود حدود 5/0 تا 2 درصد آب همراه دارد؛ اين مقدار آب وابسته به شرايط فرآیند متغیر می‌باشد. فشار نفت خروجي مخزن ائتلاف‌کننده، توسط تلمبه تقويت شده و وارد مخزن نوسان‌گير11 مي‌شود. در مخزن نوسان‌گیر، نوسانات شدت جریان گرفته شده و جریان ورودی به مرحله بعد یکنواخت می‌شود. سپس نفت پمپ شده و وارد مبدل‌هاي حرارتي مي‌شود. پس از گرم شدن، جریان نفت به ورودي ائتلاف‌كننده‌هاي الكتريكي وارد می‌شود. در اين بخش مقداري آب شيرين و ماده تعليق‌شكن به جریان نفت خام تزريق مي‌شود. با ترکیب نفت خام آب‌زدایی شده و آب تازه، غلظت نمک در آب موجود در نفت کاهش می‌یابد. در مخزن نمک‌زدای الکترواستاتیک، آخرين ذرات پراكنده آب‌نمك در نفت ته‌نشين و تخليه مي‌شوند. استفاده از میدان الکتریکی و امولسیون‌شکن سرعت ته‌نشین شدن قطرات آب را افزایش می دهد.

شکل 1-1 نمای کلی واحد نمک‌زدایی [4]
به طور کلی فرآیند نمک‌زدايي الكترواستاتيکی شامل سه مرحله است:
انحلال و ترقيق: در اين مرحله آب تازه به نفت اضافه می‌شود. نفت و آب به‌وسيله‌ي شير اختلاط و در اثر افت فشار ايجاد شده در شير با هم مخلوط شده و يک امولسيون سبک ايجاد مي‌شود. این مرحله در واقع مرحله اصلی انتقال نمک به فاز آبی بوده و منجر به کاهش غلظت نمک در نفت می‌شود.
لخته شدن در حضور ميدان الکتريکي: در صورت عدم حضور میدان الکتریکی، جهت‌گيري مولکول‌هاي آب در يک حجم مشخص به صورت تصادفي بوده و در مجموع گشتاور کل وارد بر مولکول‌های آب صفر است. تا زماني‌که آب در ميدان الکتريکي قرار نگرفته است، قطرات آب به صورت کروي مي‌باشند اما وقتي به آب نيروي الکتريکي اعمال مي‌شود قطرات آب پلاریزه می‌شوند. سطوحی از قطرات که داراي پتانسيل مثبت هستند، به نزديکترین سطح با پتانسيل منفي نزديک مي‌شوند و برعکس. بنابراين با ايجاد نيروي جاذبه بين سطوح قطرات و افزايش احتمال برخورد قطرات با يکديگر، سرعت لخته‌شدن و به هم چسبيدگي آن‌ها افزايش مي‌يابد. نيروي جاذبه بين دو قطره با افزايش ولتاژ افزايش مي‌يابد؛ اما ميدان بيش از حد قوي باعث شکست قطرات به قطرات ريزتر مي‌شود که مطلوب نيست.
ته نشيني: با فرض كروي بودن قطرات، سرعت سقوط قطرات آب طبق قانون استوكس قابل پیش‌بینی می‌باشد:
(1-1)
در رابطه بالا V سرعت سقوط قطره، g شتاب ثقل، r شعاع قطره، ρ_d چگالي آب، ρ_c چگالي نفت و μ ويسكوزيته فاز نفت مي‌باشد. به منظور جداسازي آب از نفت می‌بایست سرعت سقوط قطرات آب بيشتر از سرعت بالا آمدن نفت از ميان الكترودها باشد.

1-5- امولسیون‌سازی در شیر اختلاط

همگن‌سازی در فشار بالا12 در صنایع شیمیایی، دارویی و غذایی به منظور تهیه امولسیون و تولید و توزیع قطرات ریز و با قطر کم در سیال فاز پیوسته استفاده می‌شود. اندازه و چگونگی توزیع قطرات به عواملی از جمله پایداری، واکنش‌پذیری و طعم مواد (در صنایع غذایی) وابسته است. در یک همگن‌کننده‌ی فشار بالا، امولسیون با قطرات درشت از درون یک شکاف باریک یا یک اریفیس عبور می‌کند، در نتیجه در اثر اعمال اختلاف فشار بالا در دو طرف شکاف، قطرات بزرگ به قطرات کوچک‌تر شکسته می‌شوند. با عبور سیال از شکاف باریک، یک ناحیه با آشفتگی بالا ایجاد می‌شود در نتیجه تنش ایجاد شده باعث تغییر شکل و شکستن قطرات می‌گردد. انتخاب وسیله مناسب برای امولسیون‌سازی وابسته به میزان انرژی مورد نیاز برای این کار و کاربرد امولسیون ساخته شده می‌باشد. امولسیون‌سازی بسته به کاربرد آن ممکن است در یک یا چند مرحله صورت پذیرد [5].
در عملیات نمک‌زدایی از روش‌های مختلفی برای امولسیون‌سازی و مخلوط کردن آب تازه13 یا آب با غلظت کمتری از نمک، با نفت خام استفاده می‌شود. از جمله این روش‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود [3]:
استفاده از یک وسیله T شکل برای پمپ کردن آب تزریقی به جریان نفت خام
تزریق آب رقیق‌کننده در یک وسیله T شکل و سپس به دنبال آن شیر اختلاط توپی14 نیمه باز با افت فشار بین psi25-15.
پمپ کردن آب رقیق‌کننده از میان سیستمی از نازل‌های اسپری‌کننده15 و به دنبال آن شیر کنترل دیفرانسیلی که در افت فشار psi15-5 کار می‌کند.
استفاده از مخلوط‌کن‌های استاتیک
شکل 1-2 نمونه‌ای از شیر اختلاط صنعتی را نشان می‌دهد.
1-5-1- راندمان اختلاط

راندمان اختلاط16 عبارت است از کسری از آب رقیق‌کننده که با آب موجود در نفت مخلوط می‌شود. به دلیل این‌که راندمان اختلاط به احتمال تماس بین آب رقیق‌کننده و آب‌نمک موجود در نفت (متناسب با تعداد قطرات موجود در نفت خام است) وابسته است، بالاترین راندمان قابل دستیابی شیرهای اختلاط در حدود 70 تا 85 درصد می‌باشد [6].
شکل 1-2 نمونه‌ای از شیر اختلاط صنعتی
1-5-2- آب رقیق‌کننده

آب رقیق‌کننده‌ای17 که به جریان نفت خام افزوده می‌شود هم از لحاظ کمیت (مقدار) و هم از لحاظ کیفیت باید مورد توجه قرار گیرد. آب رقیق‌کننده باید به اندازه کافی در دسترس باشد تا موازنه جرم لازم برای رقیق کردن آب‌نمک پراکنده در نفت خام را برآورده کند. از طرفی، کیفیت آب رقیق کننده نیز اهمیت دارد، زیرا اگر آب رقیق کننده کیفیت مطلوب را نداشته باشد، ممکن است باعث بالا بردن pH محیط شود، یا اینکه غلظت مواد تعلیق‌کننده را در محیط افزایش دهد که این عامل موجب افزایش پایداری امولسیون می‌شود. روشن است که برای خارج کردن نمک از نفت خام می‌بایست آب رقیق‌کننده مقدار کمی نمک داشته باشد. جریان‌های آبی که حاوی مقدار زیادی از ذرات کک18،‌ جامدهای معلق19 و سولفید آهن20 هستند نباید به‌عنوان آب رقیق‌کننده مورد استفاده قرار گیرند.
ترجیحاً pH آب افزوده شده باید کمتر از 0/9 باشد و اگر افزودن آب رقیق‌کننده موجب بالا رفتن pH ‌شود، باید امکان تزریق اسید برای کنترل pH وجود داشته باشد. pH‌ بالا ممکن است تشکیل امولسیون پایدار را تشدید کند در حالی‌که pH کمتر از 5/6 نگرانی‌ها را برای خوردگی دستگاه نمک‌زدا21 افزایش می‌دهد. هم‌چنین غلظت اکسیژن و فلوراید آب رقیق‌کننده می‌بایست به ترتیب کمتر از ppm 02/0 و کمتر از ppm‌1 باشد [6].
بخش مهم و اصلی حل کردن آب در نفت خام در مراحل بالادستی دستگاه نمک‌زدا و قبل از پیش گرم کردن صورت می‌گیرد. گرمایش بیش از حد امولسیون موجب تبخیر آب همراه نفت و افزایش حلالیت آب در نفت می‌شود. این پدیده می‌تواند باعث تشکیل کریستال نمک شود. جدا کردن کریستال نمک از نفت بسیار دشوار است. حضور ذرات کریستالی در محیط موجب تشکیل رسوب و گرفتگی مبدل‌های حرارتی می‌شود. شکل 1-3 حضور کریستال نمک در نفت خام را نشان می‌دهد.

شکل 1-3 کریستال نمک در نفت خام [7]
1-6- اصول نمک‌زدایی الکترواستاتیکی

چنان‌چه قطره‌های پراکنده و معلق آب موجود در نفت خام در حضور میدان الکتریکی با ولتاژ بالا قرار گیرند، بارهای مثبت و منفی قطرات در نیم‌کره‌ای که مقابل الکترود با بار مخالف قرار گرفته‌اند، متمرکز می‌شوند. این پدیده را اصطلاحاً پلاریزه شدن قطره گویند. دو قطره پلاریزه شده مجاور به یکدیگر نیروی جاذبه الکتریکی وارد می‌کنند. اگر این نیرو به اندازه کافی قوی باشد، قطره‌ها به سمت یکدیگر حرکت کرده، لایه‌های خارجی آن‌ها شکسته شده، به یکدیگر می‌چسبند و در نهایت قطره بزرگتری تشکیل می‌شود.

1-6-1- جریان متناوب
متداول‌ترین روش آب‌زدایی استفاده از جریان متناوب22 است. شکل 1-4 دستگاه نمک‌زدا الکترواستاتیک جریان متناوب با صفحات افقی را نشان می‌دهد. در اين فرآيند از يک جريان متناوب با فرکانس 50 تا 60 هرتز استفاده مي‌شود و معمولا از 2 الکترود شبکه‌ای افقي به ‌صورت موازي استفاده مي‌شود. ولتاژ اعمال شده به الکترودها بين 12000 تا 25000 ولت است. الکترود پايين به ترانسفورماتور و الکترود بالا به زمين وصل مي‌شود. معمولاً یک میدان متناوب ضعیف بین الکترود و فصل مشترک دو فاز و یک میدان متناوب قوی بین الکترود شارژ شده و الکترود زمین برقرار می‌شود. مخلوط آب و نفت از زير الکترود پايين و بالای فصل مشترک دو فاز وارد مخزن می‌شود. در ابتدا تحت تأثیر میدان متناوب ضعیف، قطره‌های آب منعقد شده، با عبور از ميان شبکه‌ها تحت تأثیر میدان متناوب قوی، قطره‌های کوچک‌تر و بیشتری منعقد شده و آب‌زدایی از نفت خام صورت می‌گیرد. پس از عبور از میدان الکتریکی و تأثیر میدان بر به هم چسبیدن و بزرگ شدن قطره‌ها، نفت آب‌زدایی شده از بالاي دستگاه الكترواستاتيك و آب ته‌نشین شده از قسمت پايين دستگاه خارج مي‌گردد.

شکل 1-4 میدان AC و صفحات مشبک افقی همان‌طور که شکل 1-5 نشان می‌دهد، با حضور قطره‌های آب در میدان الکتریکی حاصل از جریان متناوب، بارهای مثبت و منفی درون قطره‌ها جابه‌جا شده در نتیجه پلاریزه می‌شوند و به قطره‌های مجاور نیروی جاذبه الکتریکی وارد می‌کنند. این نوع از میدان روی بار خالص قطره‌ها تأثیری ندارد و در واقع قطره‌ها از لحاظ الکتریکی خنثی هستند، تنها جهت‌گیری بارها درون قطره‌ها تغییر می‌کند که این پدیده به منعقد شدن قطرات آب پراکنده در نفت کمک می‌کند.

شکل 1-5 تأثیر میدان الکتریکی متناوب بر جابجایی بارهای الکتریکی [7]
1-6-2- جریان مستقیم

همان‌طور که شکل 1-6 نشان می‌دهد، در میدان حاصل از جریان مستقیم23، الکترودها به تعداد زیاد و به صورت عمودی و موازی در دستگاه تعبیه شده‌اند. در ابتدای ورود امولسیون به میدان حاصل از جريان مستقيم، قطرات آب پلاريزه شده و به سمت نزديکترين الکترود حرکت مي‌کنند. پس از تماس با الکترود، داراي بار الکتريکي مشابه با بار الکترود شده و همزمان با حرکت به سمت بالا به همراه جریان فاز پیوسته، در جهت مخالف به سمت الکترود ديگر حرکت مي‌نمايند. حركت قطرات بين الكترودها باعث برخورد آن‌ها با يكديگر و به‌هم‌ پيوستگي قطرات مي‌شود. اين مکانيزم به صورت متوالی تکرار مي‌گردد. استفاده از جريان مستقيم در نمک‌زداي الكترواستاتيکی داراي مشکلاتی نیز می‌باشد؛ جريان برق توليد شده در نيروگاه‌ها جريان متناوب است که تبديل آن به جريان مستقيم در ولتاژهاي بالا کار هزينه‌بر و سختي است. رفتار متفاوت قطرات آب در جريان مستقيم و برخورد آن‌ها با الکترودها احتمال خوردگي الکترود‌ها را افزايش مي‌دهد. هم‌چنین با توجه به اين‌که بین صفحات موازی باردار ماده‌ای عایق وجود دارد، دستگاه نمک‌زداي الكترواستاتيکی را می‌توان به صورت یک خازن در نظر گرفت. هنگامي‌که حجم قطرات آب بين دو الکترود زياد باشد به علت بالا بودن ثابت دي‌الکتريک آب، بین صفحات خازن اتصال کوتاه برقرار شده و درنتیجه باعث سوختگي الکترود‌ها مي‌شود. اين مشکلات باعث مي‌شوند که از جريان مستقيم به تنهایی استفاده نشود.

1-6-3- ترکیب میدان‌های متناوب و مستقیم
در دهه 1970 میلادی، فرآیندی با عنوان تجاری دو قطبی24 برای به‌کارگیری ترکیبی از میدان‌های مستقیم و متناوب، استفاده از مزایای هر دو نوع میدان و برطرف کردن مشکل خوردگی میدان‌های جریان مستقیم، مورد توجه قرار گرفت.

شکل 1-6 میدان DC و صفحات عمودیاین روش مزایای هر دو روش از جمله جداسازی در نفت‌های با درصد بالا آب جریان متناوب و راندمان بالای جریان مستقیم را شامل می‌شود. همان‌طور که شکل 1-7 نشان می‌دهد، روش خاص اتصال الکتریکی که در این سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرد یک میدان متناوب در ناحیه زیر الکترودها و یک میدان مستقیم در بین الکترودهای عمودی مجاور هم برقرار می‌نماید. بنابراین میدان جریان مستقیم محدود به ناحیه الکترودهای عمودی بوده در حالی‌که ساختار استفاده شده یک میدان متناوب را نیز درون مخزن ایجاد می‌نماید که وظیفه آن ممانعت از بروز خوردگی است؛ زیرا قبل از اینکه جریان نفت وارد میدان مستقیم شود مقدار زیادی از آب خود را از دست داده است بنابراین تعداد برخوردها با الکترودها کمتر می‌شود. هم‌چنین احتمال رخ دادن اتصال کوتاه بین الکترودهای عمودی کمتر می‌شود. این ساختار امکان مهاجرت و برخورد قطرات بسیار ریز باقی‌مانده را در میدان مستقیم فراهم نموده تا حداکثر میزان جداسازی آب حاصل شود.

شکل 1-7 میدان ترکیبی [7]
1-6-4- فرکانس دوگانه25
به طور کلی هدایت الکتریکی امولسیون آب و نفت بر راندمان جداسازی آّب بسیار تأثیرگذار است. الکترودهای موجود در نمک‌زداهای الکترواستاتیک مانند صفحات خازنی هستند که امولسیون موجود بین آن‌ها نقض ماده دی الکتریک دارد. در صورتی‌که ضریب هدایت الکتریکی امولسیون بالا باشد، مقداری از بار الکتریکی الکترودها بین صفحات جابه‌جا شده و اختلاف ولتاژ بین الکترودها کاهش می‌یابد. بنابراین موجب کاهش شدت میدان الکتریکی و در نتیجه افت قابل توجه راندمان جداسازی می‌شود. این پدیده تابع فرکانس جریان بوده و با افزایش فرکانس، افت ولتاژ کاهش می‌یابد. از این‌رو با بهینه کردن فرکانس منبع تغذیه، می‌توان مدت زمان شارژ و تخلیه را کاهش داده و از افت شدت میدان الکتریکی و در نتیجه کاهش راندمان جداسازی جلوگیری نمود [8].
فصل دوم

مروری بر تحقیقات گذشته
تاکنون تحقیقات زیادی بر روی فرآیند نمک‌زدایی صورت گرفته است. تمرکز بسیاری از این تحقیقات بر روی روش‌های آزمایشگاهی جداسازی می‌باشد. در این پژوهش‌ها اثر پارامترهایی نظیر دما، مقدار آب تازه، نرخ ورود خوراک، غلظت امولسیون‌شکن، زمان ماند مواد درون مخزن نمک‌زدا، شدت میدان اعمال شده در مخزن الکترواستاتیک و شدت اختلاط، بر روی راندمان جداسازی آب و نفت بررسی شده است. تمرکز برخی از پژوهش‌ها نیز بر مدلسازی اختلاط آب و نفت و عملیات جداسازی آب و نفت در حضور و یا عدم حضور میدان الکتریکی می‌باشد. در اکثر تحقیقات صورت گرفته، مدل موازنه جمعیت به دلیل دقت و سرعت قابل قبول در پاسخ‌دهی نسبت به سایر روش‌ها بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است. هم‌چنین هدف برخی از تحقیقات بهینه‌سازی شرایط عملیاتی واحد نمک‌زدایی جهت کمینه کردن غلظت آب و نمک محصول خروجی بوده است.

2-1- مطالعات صورت گرفته در زمینه امولسیون‌سازی
اختلاط آب تازه با امولسیون آب و نفت به منظور ایجاد یک امولسیون سبک جهت نمک‌زدایی از نفت خام، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است.
چن26 همکاران فرآیند اختلاط آب و نفت را در یک مخزن همزن‌دار بر اساس مدل موازنه جمعیت و با در نظر گرفتن ترم شکست قطرات مورد مطالعه قرار دادند [9]. آن‌ها با استفاده از یک روش بهینه‌سازی و به کمک داده‌های آزمایشگاهی، پارامترهای تجربی مدل را به دست آوردند. مدل بدست آمده کارایی بسیار بالایی در پیش‌بینی سایز قطرات و نرخ توزیع آن‌ها نشان داد.
آلپایوس27 و همکاران پدیده اختلاط آب و نفت را در یک مخزن همزن‌دار به عنوان یک سیستم امولسیون منظم مورد مطالعه قرار دادند. آن‌ها



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید