عنوان پایان‌نامه
بررسی بهبود خواص نفت سنگین با استفاده از روش کاویتاسیون هیدرودینامیک
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1841.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 80167;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1841.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 80167
- تاریخ دفاع
- ۰۹ بهمن ۱۳۹۵
- دانشجو
- محمد عسکریان
- استاد راهنما
- علی وطنی
- چکیده
- معمولاً باقیمانده‌های اتمسفری و خلأ پالایشگاه‌ها برش‌هایی سنگین و کمارزش هستند که به‌عنوان سوخت در نیروگاه‌ها و کشتی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. گرانروی بالای این برش‌ها، حمل و نقل و به‌کارگیری آن‌ها را سخت و پرهزینه می‌کند. کاهش گرانروی فراورده‌های سنگین نفتی در فشار اتمسفر به روش کاویتاسیون از طریق افزایش ترکیبات سبک موجود در آن‌ها باعث کاهش مشکلات حمل و نقل و بهره‌برداری از آن‌ها می‌شود. فروپاشی سریع حباب‌های کاویتاسیونی در حالت آدیاباتیک باعث افزایش ناگهانی فشار و دمای موضعی سیال می¬شود. این افزایش دما و فشار به-گونه¬ای است که می‌تواند باعث شکستن پیوند بین اتم‌ها، ایجاد و انتشار رادیکال‌های فعال در محیط و در نتیجه انجام واکنش‌های شیمیایی و همچنین فعال شدن کاتالیست‌های مجاور حباب‌ها شود. هدف اصلی این تحقیق، بهبود خواص نفت سنگین با استفاده از سامانه آزمایشگاهی کاویتاسیون هیدرودینامیک است. بررسی درشت‌نگرانه فرایند بهبود خواص کاویتاسیونی نفت سنگین، تعیین شرایط مطلوب انجام فرایند و بررسی اثر افزایش منابع تولید هیدروژن و نانوذرات فلزی در این تحقیق مورد مطالعه قرار گرفته‌است. بهمنظور پیبردن به شرایط و نحوه تشکیل فاز بخار در محفظه کاویتاسیون از نرم‌افزار ANSYS Fluent استفاده شده است. خوراک مورد استفاده در آزمون‌ها، نفت کوره سنگین پالایشگاه لاوان می‌باشد و اثر افزایش افزودنی‌هایی چون بنزین، هیدرازین، اسید فرمیک، اتانول، آب و نانوذرات آلومینیم و آهن مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین برای دست‌یابی به رابطه‌ای که، رفتار نفت سنگین پارافینی را در سامانه کاویتاسیون هیدرودینامیک پیش‌بینی نماید، از نرم‌افزار Design Expert استفاده شده است. نتایج حاصل از این مطالعه نشان می‌دهد که طی فرایند کاویتاسیون، ساختار پارافینی نفت سنگین خوراک تغییر نمی‌کند؛ بدون حضور منبع هیدروژنی مناسب، گرانروی نفت سنگین افزایش می‌یابد؛ استفاده از برخی منابع هیدروژنی مانند آب، هیدرازین و اسید فرمیک موجب افزایش گرانروی و استفاده از بنزین موجب کاهش گرانروی فراورده می‌شود به‌گونه‌ای که افزودن 1 درصد حجمی بنزین به یک برش سنگین می‌تواند ظرف مدت 10 دقیقه و مصرف 05/0 کیلووات- ساعت انرژی به ازاء هر لیتر خوراک، گرانروی را تا 20 درصد مقدار اولیه کاهش دهد؛ در حضور بنزین، کاهش درصد فراورده‌هایی مانند گریس، واکس و آسفالت، بیشتر از افزایش درصد محصولات سبک مانند دیزل است و بههمین دلیل امکان استحصال محصولات بسیار سبک‌تر از نفت سنگین خوراک در چنین سامانه‌ای وجود نخواهد داشت؛ در مدل ارائه شده در این تحقیق که اثر پارامترهای تأثیرگذار را بر گرانروی محصول فرایند کاویتاسیون نشان می‌دهد، اثر مدت‌زمان چرخش سیال درون سامانه، درصد حجمی بنزین افزوده شده به فرایند و برهم‌کنش بین دما و درصد حجمی بنزین معنی‌دار هستند؛ با استفاده از این مدل می‌توان رفتار مازوت را در یک سامانه هیدرودینامیک با عدد کاویتاسیون محدوده 1/0 پیش‌بینی کرد؛ و بالاخره افزودن نانوذرات فلزی به فرایند کاویتاسیون در حضور افزودنی‌های غیرقابل امتزاج با نفتسنگین، با ناپایدار کردن امولسیون حاصله باعث کاهش گرانروی محصول می‌شود.
- Abstract
- Atmospheric and vacuum residues are of heavy and low value cuts used as fuel in power plants and ships. High viscosity and density make the exploitation and transportation of these fuels difficult and costly. Using cavitation in atmospheric pressure is a feasible technique to reduce the viscosity and density of these stocks as well as to make heavy cuts lighter and to reduce the difficulties of their transportation and exploitation. Rapid collapse of the bubbles can generate millions of local hot spots. The high temperature and pressure of these points in the flow may bring about the scission of the chemical and physical bonds, creation and distribution of radicals, activation of the adjacent catalyst particles and finally do or intensify the physico chemical reactions. In order to evaluate the formation of vapor bubbles and cavitation threshold in the cavitation chamber, CFD modelling was done using ANSYS Fluent. The significance of the parameters affecting the demeanor of the heavy feed undergoing cavitation and the interactions were also investigated using Design Expert. Heavy fuel oil was used as the feedstock in this study was provided from Lavan refinery and the effect of adding water, ethanol, formic acid, hydrazine, gasoline and iron nanoparticles and aluminum nanoparticles was investigated. The results show that: The cavitational upgrading technique will not change the molecular structure of paraffinic oils; without adding a hydrogen donor to the system, serious radical recombination occurred leading to an increase in viscosity; hydrogen donors insoluble in heavy oil, like water, create emulsions which cause an increase in heavy oil viscosity within the cavitation process; adding 1 vol% gasoline to a 10-min Heavy oil Cavitational Upgrading Process (HCUP) at 80°C and atmospheric pressure can reduce the viscosity of heavy oil by about 20 % at an expense of consuming 0.05 kW-h per liter of feed; iron nanoparticles play a demulsifier role when added to a w/o emulsion preventing the increase in the viscosity of the emulsion; in the HCUP, the effect of increasing the number of cavitation events (achieved by an increase in operating temperature or a decrease in liquid surface tension or viscosity) is more pronounced than the effect of decreasing the collapse intensity of cavitation bubbles; and in the power model developed to predict the demeanor of a paraffinic heavy oil undergoing hydrodynamic cavitation, the effect of circulation time, volume percent of gasoline added to the process, and the interaction between temperature and volume percent of gasoline are significant.
