تحصيلات تکميلي

نام و نام خانوادگي : مرجان فرجي

دانشکده : فني و مهندسي

استاد راهنما : دكتر عليرضا سليماني نظر

تاريخ دفاع : 19/1/88

رشته و گرايش : مهندسي شيمي

استاد مشاور : -

شبيه سازي مونت کارلو در فرآيند تشکيل خوشه هاي آسفالتيني

چکيده

برش سنگين و غيرقابل تقطير نفت خام، شامل ترکيبات آروماتيکي پيچيده‌اي با نام آسفالتين مي‌باشد. آسفالتين‌ها به طور طبيعي داراي خاصيت خودتجمعي هستند. پديده تشکيل تجمع‌هاي کلوئيدي آسفالتين موجود در نفت خام منجر به ايجاد خوشه‌هاي کلوئيدي بزرگ‌ و در نهايت رسوب اين ترکيبات سنگين مي‌گردد. رسوب آسفالتين در مراحل توليد و فرآورش نفت از مسائل بسيار جدي در سطح جهان محسوب مي‌شود، به گونه‌اي که رفع رسوبات آسفالتين در سازندهاي توليد‌كننده نفت و تجهيزات توليدي طي سال‌ها يكي از مشكلات اساسي در صنعت نفت بوده است. با توجه به اين موضوع که پيش‌بيني دقيق گرفتگي مخازن و يا خطوط انتقال نفت خام نه تنها وابسته به مقدار رسوب مي‌باشد، بلکه به اندازه ذرات جامد نيز بستگي دارد، بنابراين پيش‌بيني توزيع اندازه خوشه‌هاي آسفالتيني، قبل از رسوب‌گذاري امري ضروري و ارزشمند مي‌باشد.

از آنجا که پيش‌بيني توزيع اندازة خوشه‌هاي آسفالتيني با ديدگاه آماري تاکنون مورد مطالعه قرار نگرفته است، هدف از اين پايان‌نامه پيش‌بيني تجمع خوشه‌هاي آسفالتيني بر اساس شبيه‌سازي مونت‌کارلو مي‌باشد.

در اين تحقيق توزيع اندازه خوشه‌هاي آسفالتيني تحت شرايط استاتيکي و ديناميکي در مخلوط‌هاي نفتي به با استفاده از روش تصادفي مونت‌کارلو مورد پيش‌بيني قرار گرفته است. در بخش استاتيکي، از دو مدل متفاوت جهت پيش‌بيني توزيع اندازه ذرات آسفالتين استفاده شده است که هر دو مدل به نتايج يکساني منتهي گرديده است. در مدل اول، شبيه‌سازي سيستمي متشکل از ذرات آسفالتين و ترکيبات بازدارندة رزين به روش مونت‌کارلو بررسي شده است که شرط اتمام شبيه‌سازي در اين سيستم، پرشدن تمامي مکان‌هاي فعال موجود در سطح ذرات آسفالتيني مي‌باشد. مدل به کار گرفته شده، در دو حالت تجمع خوشه- ذره و تجمع خوشه- خوشه به بررسي اثر بازدارنده‌هاي طبيعي موجود در نفت روي خوشه شدن کلوئيدي پرداخته است. وابستگي اندازه متوسط خوشه به غلظت اوليه ذرات آسفالتين، نسبت ذرات بازدارنده به آسفالتين، تعداد مونومرهاي باقي‌مانده در سيستم و تعداد اتصالات ذرات کلوئيدي ارائه شده است. افزايش غلظت اوليه و تعداد اتصالات آسفالتين و کاهش نسبت تعداد ذرات رزين به آسفالتين منجر به افزايش اندازه متوسط خوشه‌ها در سيستم شده است. افزايش چشمگير اندازه متوسط خوشه‌ها در حالت تجمع خوشه- خوشه در مقايسه با حالت تجمع خوشه- ذره در شرايط يکسان از لحاظ غلظت اوليه و تعداد اتصالات ذرات کلوئيدي و نسبت رزين به آسفالتين نشان داده شده است. نتايج حاصل از شبيه‌سازي نشان مي‌دهد، در حالتي که مکانيزم خوشه- ذره بر سيستم حاکم باشد، توزيع فراواني بهنجار شده داراي يک پيک و در حالتي که هر دو مکانيزم وجود داشته باشند، داراي بيش از يک پيک مي‌باشد.

در مدل دوم جهت پيش‌بيني توزيع اندازه خوشه‌هاي آسفالتيني در حالت استاتيکي، شرط اتمام شبيه‌سازي مونت‌کارلو، حداقل شدن انرژي برهمکنش کل سيستمي متشکل از آسفالتين و رزين در محيط‌هاي متفاوت نفتي، مي‌باشد. برهمکنش‌هاي بين‌مولکولي توسط دو تابع پتانسيل مختلف محاسبه و مقايسه گرديده است. تأثير محيطي که مولکول‌هاي آسفالتين و رزين در آن غوطه‌ور مي‌باشند، روي برهمکنش‌هاي بين‌مولکولي، توسط دو ثابت دي‌الکتريک و ثابت هاماکر در هر دو تابع پتانسيل در نظر گرفته شده است. وابستگي اندازه متوسط خوشه‌هاي آسفالتيني و کسر مونومرهاي باقي‌مانده در سيستم به غلظت اوليه، نوع محيط نفتي و دما نشان داده شده است. افزايش غلظت اوليه، افزايش ضريب غربالي نمونة نفتي و کاهش دما منجر به افزايش اندازه متوسط خوشه‌ها و کاهش کسر مونومرهاي باقي‌مانده در سيستم مي‌گردد. نقش مکانيزم تجمع خوشه- خوشه و در نتيجه وجود بيش از يک پيک در نمودار توزيع فراواني بهنجار شده در محيطي که توانايي بيشتري در تجمع مولکول‌هاي آسفالتيني دارد يا به عبارت ديگر در نمونه‌هايي با ضريب غربالي بالاتر ، نشان داده شده است. همچنين نتايج حاصل از هر دو تابع پتانسيل در همة شرايط عملياتي شبيه‌سازي شده، داراي توافق خوبي با يکديگر مي‌باشند.

در شرايط ديناميکي نيز سير تکاملي توزيع اندازه خوشه‌هاي آسفالتيني با گذشت زمان، با در نظر گرفتن کرنل‌هاي خوشه شدن و شکست، تحت تنش برشي به روش تصادفي مونت‌کارلو مورد مطالعه قرار گرفته است. در اين مدل، طبيعت فركتال خوشه‌هاي آسفالتين در تعيين كرنل‌هاي خوشه شدن و شكست در نظر گرفته شده است. نتايج حاصل از مدل ديناميکي با نتايج تجربي موجود براي سه نمونه نفت خام بنگستان، منصوري و مارون مقايسه شده است. در نهايت، نتايج نشان مي‌دهد كه ب گذشت زمان درصورتيكه اندازه اوليه خوشه‌ه بيش از حد بزرگ نباشد، اندازه متوسط خوشه‌ه در ابتد بزرگ‌تر شده و پس از رسيدن به يك مقدار بيشينه، براي رسيدن به يك مقدار ثابت در حالت پايدار کاهش مي‌يابد. ب افزايش بعد فركتالي خوشه‌ها، نرخ‌هاي خوشه شدن و شكست كاهش مي‌يابد. نتايج نشانگر كاهش سرعت رشد خوشه‌ه در ابعاد فركتالي بالاتر است. افزايش غلظت جامد آسفالتين باعث رشد سريع‌تر اندازه خوشه‌ها مي‌گردد ولي تأثير چنداني بر اندازه متوسط حالت پايدار ندارد. افزايش تنش برشي باعث کاهش اندازه متوسط خوشه‌ها و اندازه متوسط حالت پايدار مي‌گردد.

واژگان کليدي: آسفالتين، توزيع اندازه خوشه‌ها، مونت‌کارلو، تجمع، شکست.