بررسی جامع عملکرد جداکننده پیشرفته مافوق صوت برای جداسازی آب و میعانات گازی از جریان گاز طبیعی

تنظیم نقاط شبنم آب و هیدروکربن در گازهای طبیعی از اهمیت زیادی در پالایشگاه های گاز برخوردار است. تکنولوژی جداکننده های مافوق صوت (3s) اخیرا بعنوان یک تکنولوژی مدرن به منظور کنترل نقطه شبنم آب و هیدروکربن و استخراج اجزای مورد نظر از گاز طبیعی معرفی شده است و امروزه مورد توجه زیادی قرار گرفته است. جداسازی مطلوب و مناسب میعانات هیدروکربنی سنگین و آب از جریان گاز طبیعی تاثیر بسزایی بر روی فرآوری، انتقال و توزیع این محصول با ارزش دارد. این عمل بخوبی توسط جداکننده های مافوق صوت که جداسازی زیر میکرون ذرات مایع از هر جریان گازی را فراهم می آورند می تواند انجام گیرد. این روش جداسازی پیشرفته بر مبنای انبساط آدیاباتیک جریان چرخشی گاز تا سرعتهای مافوق صوت داخل یک دستگاه با اندازه بسیار کوچک استوار است. در این رساله ابتدا به مدلسازی و شبیه سازی نازل جداکننده مافوق صوت با هدف پیش بینی رفتار جریان و تعیین محل موج ضربه ای قائم با استفاده از معادلات حاکم بر جریان گاز کامل و حقیقی در سه حالت: 1) کل سیستم بصورت فرآیند آیزنتروپیک 2) انبساط و تراکم آیزنتروپیک در نازل- دیفیوزر همراه با موج شوک غیر آیزنتروپیک 3) کل سیستم بصورت فرآیند غیرآیزنتروپیک، پرداخته شده است. نتایج حاصله بوضوح نشان می دهد که فرآیند غیر آیزنتروپیک باعث وقوع زودتر موج شوک می شود که این امر مانع از سرمایش مناسب جریان گاز شده و در نتیجه جداسازی مناسب مایعات مختل می گردد. همچنین اثر متغیرهای عملیاتی مختلف بر روی عملکرد کلی جداکننده مافوق صوت تحت شرایط غیر آیزنتروپیک مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که زاویه نازل واگرا و سرعت گاز ورودی تاثیر قابل ملاحظه ای بر روی نسبت بازیابی فشار واحد 3s دارند. در مرحله بعد، کارایی دو ساختار مختلف از جداکننده مافوق صوت شامل یک نازل- دیفیوزر همراه با موج شوک و دو نازل- دیفیوزر متوالی از لحاظ بازیابی فشار در شرایط آیزنتروپیک و غیر آیزنتروپیک (با فرض رفتار گاز کامل و حقیقی) مورد ارزیابی قرار گرفته است. بررسی های انجام شده مبین آن است که ساختار دوم (شامل دو نازل- دیفیوزر متوالی) بازیابی فشار بیشتری برای گازهای ایده آل در هر دو شرایط آیزنتروپیک و غیر آیزنتروپیک فراهم می آورد، اما بطور جالب توجهی زمانیکه رفتار گاز بصورت حقیقی در نظر گرفته شد هیچگونه تفاوت عملی از لحاظ اهداف بازیابی فشار بین دو ساختار در شرایط غیر آیزنتروپیک مشاهده نگردید. بنابراین برای بیشتر کاربردهای عملی (که معمولا حالت گاز غیر ایده آل بوده و در شرایط غیر آیزنتروپیک بسر می برد) استفاده از ساختار اول بخاطر داشتن انعطاف پذیری عملیاتی بالاتر، دارای مزیت بیشتری است. سپس به مدلسازی و شبیه سازی جداکننده های مافوق صوت با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی بعنوان ابزاری قدرتمند برای مدلسازی تجربی فرآیندهای مختلف مهندسی پرداخته می شود. از بین انواع شبکه های عصبی مصنوعی، شبکه موسوم به grbf به دلیل آنکه مبتنی بر تئوری مستحکم رگولاریزاسیون خطی چند متغیره می باشد، بکار گرفته شد. نتایج بدست آمده با پیش بینی های حاصل از مدلهای تئوری تطابق مناسبی دارند. نتایج بخوبی نشان می دهند که شبکه عصبی grbf آموزش یافته بصورت بهینه، می تواند با دقت و سرعت بالایی برای اهداف طراحی و آنالیز روند واحدهای 3s در مقیاسهای پایلوت و صنعتی بکار گرفته شود. در ادامه به بررسی، مدلسازی و شبیه سازی فرآیندهای هسته زایی و رشد قطرات پرداخته شد. با ارزیابی ها و بررسی های مختلف انجام گرفته، یک مدل کاربردی و قابل اطمینان برای پیش بینی رفتار فرآیندهای مذکور ارایه گردید. تطابق بسیار خوب نتایج بدست آمده از مدلسازی با داده های آزمایشگاهی موجود در مقالات دلیلی بر این ادعا است. در نهایت بدلیل اهمیت شدت چرخش و شتاب سانتریفیوژی (که متاثر از زاویه پره های داخل محفظه ایجاد چرخش می باشند) بر روی بازده جداسازی جداکننده های مافوق صوت، مدلسازی و شبیه سازی جداکننده های مذکور در سه بعد مکانی بصورت پایا و با طراحی به کمک کامپیوتر انجام گرفت. بر این اساس، مقادیر بهینه مولفه های سرعت محوری، زاویه ای و شعاعی بترتیب در m/s 60 ، rps 70 و m/s 20 بدست آمده اند که بر مبنای آنها می توان زاویه بهینه پره های ساکن در محفظه ایجاد چرخش را محاسبه نمود. بعلاوه در بخش انتهایی، اثر دما و فشار گاز ورودی روی شدت چرخش و شتاب سانتریفیوژی نیز بررسی شد. نتایج شبیه سازی نشان می دهند که با افزایش دما و فشار، عدد چرخش و شتاب سانتریفیوژی کاهش می یابند. همچنین، تعاریف مختلف برای محاسبه عدد چرخش در این پژوهش مد نظر قرار گرفته شده است و مناسبترین معیار برای ارزیابی شدت چرخش انتخاب گردید. حداکثر شتاب سانتریفیوژی بدست آمده در این بررسی با استفاده از مولفه های بهینه سرعت، 606294 برابر شتاب ثقل بدست آمده است که مقداری بسیار مناسب برای جداسازی قطرات مایع ایجاد شده در جداکننده های مافوق صوت با اندازه زیر میکرون می باشد.