بررسي ترموديناميكي تشكيل رسوبات واكس

[spow 44,195]

نفت خامي كه از اعماق زمين استخراج مي شود، شامل هيدروكربورهاي سنگين و نيمه سنگين است كه اشكال مختلف و خصوصيات متفاوت دارد. هيدروكربورهاي سنگين شامل واكس ها، مواد اسفالتي و رزين ها هستند كه مي توانند به صورت جامد، در تركيبات ظاهر شوند كه در اين بين، واكس ها اهميت خاصي دارند.

تغيير عواملي مانند دما، فشار و تركيب اجزاي سبك در تركيبات نفتي، سبب تشكيل رسوب هاي واكس پارافيني جامد در اين تركيبات مي شود. رسوب واكس تشكيل شده به طور عمده شامل پارافين ها، نفتن ها و به مقدار كمي از ديگر هيدروكربورها، مانند آروماتيك هاست. تشكيل اين رسوبات در مرحله اول مي تواند منافذ زيرزميني را مسدود كرده، باعث كاهش شديد نفوذ پذيري آنها شده و راندمان استخراج نفت را كاهش دهد.

در مراحل بعدي نيز تشكيل رسوبات، مشكلات زيادي را به دنبال خواهد داشت. به عنوان مثال تشكيل رسوبات واكس در خطوط انتقال نفت خام، مي تواند باعث گرفتگي لوله ها و افزايش مقاومت در برابر جريان و در نتيجه افت فشار جريان شده و علاوه بر افزايش توان مورد نياز جهت پمپ نمودن سيال، موجب استهلاك زودرس تاسيسات شود.

تشكيل رسوبات واكس در تجهيزات پروسسي مانند مبدل هاي حرارتي و خطوط لوله كاهش كارآيي اين تجهيزات را به دنبال دارد.

با توجه به اينكه در فرآيندهاي روغن سازي يكي از مراحل اصلي فرآيند، جداسازي واكس مي باشد، اهميت اين پديده مشخص مي گردد. مساله تشكيل رسوب واكس و عوامل موثر بر آن، سالهاي متمادي مورد بحث پژوهشگران بوده و اكثر روش ها و مدلهايي كه جهت توصيف و پيش بيني اين پديده ارائه شده اند، توافق ضعيفي با داده هاي آزمايشگاهي دارند و از هيچكدام نمي توان به عنوان يك راه حل عمومي، جهت پيش بيني اين پديده، استفاده كرد. اين مدلها اغلب دماي پيدايش واكس و ميزان رسوب تشكيل شده را بالاتر از مقدار تجربي و آزمايشگاهي آن، تخمين مي زنند.

با توجه به توضيحات ياد شده، پيش بيني دماي تشكيل رسوبات واكس و در نظر گرفتن اين دما در طراحي تجهيزات مربوط به استخراج، توليد و بهره برداري از نفت خام يا برش هاي نفتي، اهميت خاصي دارد. مدل سازي ترموديناميكي، يكي از راههاي بررسي اين پديده است.

 

اجزاي تشكيل دهنده واكس

واكس ها تركيبات سنگين هيدروكربوري هستند كه به طور عمده از پارافين هاي نرمال كه محدوده عدد كربني آنها از 15 تا 75 متغير است، تشكيل شده اند. البته واكس ها داراي تركيبات شاخه دار پارافيني، تركيبات نفتي و گاهي به مقدار كم تركيبات آروماتيكي نيز هستند. با توجه به اين توضيحات، واكس ها را مي توان به دو گروه عمده واكس هاي Macrocrystalline و واكس هاي Microcrystalline تقسيم كرد.

گروه اول به طور عمده از تركيبات پارافيني با شاخه هاي مستقيم تشكيل شده اند كه به آنها واكس هاي پارافيني گفته مي شود. گروه دوم از تركيباتي كه داراي پارافين هاي شاخه دار و هم چنين نفتن ها هستند، تشكيل شده اند و به آنها واكس هاي نفتني گفته مي شود. واكس هاي گروه اول، ارزش بيشتري به نسبت واكس هاي گروه دوم دارند.

پارافين هاي نرمال اولين اجزايي هستند كه در شرايط مناسب رسوب مي كنند، ولي رسوب پارافين هاي شاخه دار با تاخير همراه است.

 

درجه حرارت هاي كليدي در مورد واكس ها

پديده تشكيل رسوبات واكس، معمولاً بوسيله سه نقطه (درجه حرارت) مهم مشخص مي گردد:

س1- نقطه ابري شدن يا Cloud Point

س2- نقطه ريزش يا Pour Point

س3- نقطه ذوب يا Melting Point

نقطه ابري شدن دمايي است كه در آن اولين كريستال هاي واكس شكل مي گيرند. همان گونه كه قبلاً نيز توضيح داده شد، اولين رسوبات تشكيل شده، تركيبات پارافيني با شاخه هاي مستقيم مي باشند. اين درجه حرارت به WAT يا Wax Appearance Temp معروف است. نقطه ريزش، دمايي است كه مخلوط موجود در يك ظرف، در صورت قرار گرفتن در وضعيت افقي، جريان نداشته باشد. اين نقطه كاربرد صنعتي مهمي دارد و يكي از مشخصه هاي واكس هاي صنعتي و يا روغن هاي صنعتي (كه شامل مقداري تركيبات واكسي هستند) مي باشد. روش هاي استاندارد توسط موسسات معتبر، جهت اندازه گيري اين دما، ارائه شده است. نقطه ذوب نيز درجه حرارتي است كه يك ماده خالص به مايع تبديل مي گردد. براي يك ماده خالص، نقطه ابري شدن و نقطه ذوب با هم برابر هستند و براي يك مخلوط، اين نقاط تفاوت اندكي با هم دارند. با توجه به توضيحات ارائه شده، تشخيص نقطه ابري شدن، اهميت خاصي در مدل سازي پديده تشكيل رسوب واكس دارد.

 

عوامل موثر در تشكيل رسوب واكس

اگر چه نقطه ابري شدن ونقطه ريزش، خواص ترموديناميكي مشخصي براي تركيبات نفتي داراي واكس هستند، موقعيت نسبي آنها در دياگرام P-T و هم چنين ميزان رسوب تشكيل شده و تجمع آن، به فاكتورهاي مختلفي بستگي دارد كه از جمله مهمترين اين فاكتور ها عبارتند از:

تركيب يا Composition سيال، دماي تركيب و سرعت سرد شدن، فشار تركيب، غلظت پارفين ها، و جرم مولكولي پارافين ها.

وجود رسوبات ديگر مانند مواد اسفالتي و يا ناخالصي هاي جامد، و مقدار آب موجود در تركيب را نيز بايد در نظر گرفت.

تحقيقات انجام شده نشان مي دهد كه تشكيل رسوب واكس در مراحل اوليه، حساسيت بسيار زيادي به تركيب سيال دارد.