عنوان پایان‌نامه
بررسی تجربی ساختار ومدلسازی اثر دما بر ترسیب آسفالتین به روش حرارتی در نفت خام
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1791.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77260
- تاریخ دفاع
- ۱۳ مهر ۱۳۹۵
- دانشجو
- سمیه کنعان پناه
- استاد راهنما
- سیدمحمدعلی موسویان
- چکیده
- در این رساله چگونگی تأثیر تغییر دما بر ساختار، مکانیسم رشد و تجمیع ذرات آسفالتین پرداخته‌شده‌است. آزمایش‌ها درون یک سامانه آزمایشگاهی که به منظور آسفالتین‌زدایی حرارتی طراحی و ساخته وانجام شده‌است. از روش‌های آنالیز ساختاری DLS، XRD، SEM و FTIR در راستای شناسایی تأثیر دما بر ساختار مولکولی آسفالتین حاصل از سه روش ترسیب حرارتی، ترسیب حرارتی– تبخیری و نیز ترسیب با نرمال هپتان برای سه نمونه نفت خام ایران در محدوده دمایی 60-170 درجه سانتی‌گراد استفاده‌شده است و در ادامه مدلی با دیدگاه فرکتالی برای دست یابی به سرعت رشد و توزیع اندازه ذرات آسفالتین ارائه‌شده‌است. نتایج حاصل از اندازه‌گیری قطر ذرات آسفالتین با استفاده از DLS و نیز اندازه‌گیری تعداد لایه‌های آروماتیک نانو توده‌های آسفالتین به روش XRD نشان میدهد که اندازه ذرات آسفالتین جداسازی شده از نفت سروش و نوروز شامل سه ناحیه تغییر اندازه ذرات آسفالتین با افزایش دما است. ابتدا کاهش اندازه ذرات با افزایش دما، ناحیه دوم افزایش اندازه ذرات با افزایش دما و در نهایت با افزایش دما کاهش مجدد اندازه ذرات آسفالتین مشاهده می‌گردد. رشد و تجمیع ذرات آسفالتین در ناحیه دوم وجود یک محدوده دمایی در شرایط عملیاتی آسفالتین‌زدایی حرارتی به عنوان شرایط عملیاتی بهینه را نشان میدهد. این ناحیه برای نفت نوروز 80 الی C°120 و بهترین دمای جداسازی C°120 و برای نفت سروش 100 الی C°150 و بهترین دمای جداسازی C°150است. بیشترین بازده جداسازی آسفالتین و نیز بالاترین نرخ فیلتراسیون برای هر دو نفت در دمای بهینه جداسازی به دست آمده‌است. برای نفت فروزان نیز به روش مستقیم DLS حداکثر اندازه ذرات در دمای C°70 مشاهده‌شده‌است. مکانیسم رشد و تجمیع ذرات آسفالتین با محاسبه ضریب نسبی آروماتیسیته و اندازه‌گیری نسبت H/Cنشان میدهد که تمایل به تشکیل توده‌های آسفالتین از طریق پیوند ?-? با مولکول‌های آسفالتین مجاور، فرآیند تجمیع و رشد ذرات را تسهیل می‌نماید و باعث افزایش اندازه ذرات با افزایش دما می‌گردد. آسفالتین‌های جدا شده در انتهای ناحیه دوم دارای بیشترین تعداد لایه‌های آروماتیک و حداکثر اندازه می‌باشند و نیز حداقل تمایل به افزایش اندازه یا تجمیع با دیگر مولکول‌های آسفالتین و کمترین انرژی سطحی را دارند. نتایج SEM نشان میدهد که روش ترسیب و دمای جداسازی در مورفولوژی سطح آسفالتین تأثیرگذار می‌باشد. در نتایج FTIR می‌توان مشاهده نمود که، تمامی ذرات جدا شده در دماهای گوناگون و نیز ذرات جدا شده توسط نرمال هپتان دارای گروه‌های عاملی همانند می‌باشند. با توجه به نتایج بررسی رشد و تجمیع ذرات آسفالتین با گذشت زمان برای نفت نوروز، اندازه ذرات افزایش یافته به اندازه ثابتی حدود دو برابر اندازه اولیه ذرات گرایش می‌یابد. معادله موازنه جمعیت با رویکرد فرکتالی برای سامانه تجمیع ذرات آسفالتین ترسیب داده‌شده به روش حرارتی در طول زمان از طریق بهینه‌سازی بازده برخورد ذرات، به خوبی توانسته است تغییرات توزیع اندازه ذرات را پیش‌بینی نماید. از نتایج داده‌های آزمایشگاهی برای اعتباربخشی به مدلسازی اثر زمان بر تجمیع و رشد ذرات آسفالتین استفاده‌شده‌است. در آنالیز حساسیت تأثیر دو پارامتر فاصله هندسی و بعد فرکتال، بررسی شده‌است. مدل برای تمامی مقادیر R و df مورد مطالعه، عمومیت داشته و قابل تعمیم است و توزیع اندازه ذرات آسفالتین و همچنین قطر متوسط عددی به خوبی پیش بینی شده‌است.
- Abstract
- Temperature variation during crude production, transportation, and processing gives heavy organic deposition problems. In this study, asphaltene are isolated from an Iranian heavy crude oil under three different experimental conditions by using heat (thermal de-asphaltene), heat and toluene (thermal-toluene de-asphaltene) and n-heptane (n-heptane de-asphaltene) as precipitation agent. Asphaltene particle size evolution from two Iranian heavy crudes and one light Iranian crude in thermal de-asphaltene in the absence of n-alkane by temperature variations from 60°C to 170°C was investigated by dynamic light scattering. The effect of isolation method on the aggregate mechanism of asphaltene nanoaggregates and on the crystallite structure and surface morphology of asphaltene is characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM), CHNS and FTRI techniques. The results show that onset and optimum asphaltene dissociation temperatures were specified as characteristic parameters for thermal de-asphaltene. Onset temperatures for crudes Soroush and Norouz are 100°C and 80°C, respectively. Maximum asphaltene particle size and best filtration rate occurred at 150°C and 120°C for crudes Soroush and Norouz, respectively, suggesting asphaltene optimum isolation temperature. Particle aggregation size decreased from 60°C to onset temperature, increased from onset to optimum temperature and decreased by passing optimum temperature. Size decrease over optimum temperature confirmed partial reversibility of asphaltene dissociation mechanism. Results suggest operating temperature in thermal de-asphaltene approaches between onset and optimum temperatures with maximum yield at optimum temperature, which is crude dependent. The optimum temperature of light crude oil (Foruzan) is 70°C. The structural molecular parameter of asphaltene by XRD indicate that the minimum aromaticity of asphaltene aggregates occur at 100 and 120 °C for crude Soroush and Norouz, respectively. Increasing the size of the particles and decreasing the aromaticity, as well as raising the efficiency of asphaltene thermal isolation indicate a growth in asphaltene particles at a temperature rise from onset to 120°Coptimum temperature. The surface morphologies of asphaltene particles at this optimal temperature were assessed by scanning electron microscopy (SEM). It is found that extraction procedure has a strong influence on the physicochemical properties of the isolated asphaltene. The results showed that at thermal de-asphaltene solid like micellar shape was the dominant morphology of asphaltene particles which cause the least height of the crystallites and number of aromatic sheets in a stacked cluster. This morphology change to semi-solid smooth surface and agglomerated asphaltene with cavities by altering the separation method to thermal-toluene de-asphaltene and n-heptane de-asphaltene. The maximum heights of the crystallites belong to n-heptane de-asphaltene. FTRI show that all separated asphaltene have the same molecular bond. The particle size distribution of the asphaltene aggregates as a function of time show that growth of Norouz asphaltene nanoaggregates occurred by time from initial aggregates size to more that two times of its initial size(steady state size) in more than 57 min at 120°C and it was grown from 250 nm(initial size) to 320 nm(steady state size) in less than 18 min at 80°C. A geometric population balance model by fractal view of asphaltene nanoaggregates has been successfully developed to simulate the growth of asphaltene aggregates from the nanometer scale to micron-size particles by time at constant tow different temperatures. The Smoluchowski kernel has been incorporated to describe the aggregation of the asphaltene nanoaggregates. The discretization scheme for the particle sizes is based on the number of asphaltene molecules in the particles. The model is able to account for the conservation of the total mass of asphaltene. The model has been validated with experimental data and a good fit has been observed in each case. A sensitivity analysis was performed to investigate the dependence of the model on the geometric scaling factor (R) and the fractal dimension (df) of asphaltene aggregate. The model was able to match the experimental data for three different values of R and df.
