فهرست مطالب فصل اول: مقدمه........1فصل دوم: مباني تحقيق.....42-1- کشش سطحی تعادلی و روشهای اندازه گیری آن......52-1-1- دستهی اول: اندازه گیری با استفاده از یک میکروبالانس.......72-1-2- دستهی دوم: اندازه گیری فشار مویینگی......82-1-3- دستهی سوم: آنالیز تعادل بین نیروهای گرانش و موئینه ......92-1-4- دستهی چهارم: آنالیز قطرههای منحرف شده بر اثر گرانش ......... 102-2- کشش سطحی دینامیک ...13 فصل سوم: روش های اندازگیری ضریب نفوذ.......143-1- روش های اندازه گیری ضریب نفوذ به صورت مستقیم....163-2- روش های اندازه گیری ضریب نفوذ به صورت غیر مستقیم.........................................163-2-1- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس تغییر حجم گاز ..................................................163-2-2- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس تغییر فشار گاز..........................................................183-2-3- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس آنالیز کشش سطحی تعادلی و دینامیکی...........193-2-4- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس شکل قطرهی معلق................................................223-2-5- اندازه گیری ضریب نفوذ بر اساس حجم قطرهی معلق................................................25فصل چهارم: مروری بر تحقیقات انجام شده.....................................................................................274-1- پیشینهی تحقیق.........................................................................................................................28فصل پنجم: انجام کار.............................................................................................................................325-1- قسمت آزمایشگاهی....................................................................................................................335-1-1- مواد به کار رفته ................................................................................345-1-2- تجهیزات به کار رفته در آزمایش.........................................................................................345-1-3- شرح آزمایش............................................................................................................................355-2- قسمت مدلسازی...........................................................................................................................365-2-1- مدل انتقال جرمی.................................................................................................................. 37 فصل ششم: نتایج......................................................................................................................................446-1- اندازه گیری کشش سطحی دینامیکی.....................................................................................446-2- کشش سطحی تعادلی.................................................................................................................476-3- محاسبهی ضریب نفوذ با فرض عدم وجود مقاومت در مرز گاز- مایع..............................526-4- محاسبهی ضریب انتقال جرم در مرز گاز- مایع با فرض وجود مقاومت مرزی...............596-5- اثر دما، فشار و زمان روی ضریب انتقال جرم مرزی..............................................................60فصل هفتم: نتیجه گیری...................................................................................................................72فصل هشتم: پیشنهادات....................................................................................................................75 منابع.....................................................................................................................................................77 فهرست جداول جدول6-1- فهرستی از پارامترهای مورد نیاز برای شبیه سازی فرآیند انتقال جرم..............51جدول6-2- مقایسهی مقدار ضریب نفوذ در سیستمهای دی اکسید کربن- هگزادکان و دی اکسید کربن- هپتان.............................................................................................................................................57جدول6-3- مقایسهی مقدار ضریب انتقال جرم مرزی برای سیستمهای مختلف در دماها و فشارهای متفاوت..................................................................................................................................58 فهرست اشکال شکل 2-1 شکل یک فیلم صابونی که روی چارچوبی فلزی کشیده شده است ..................................6شکل 2-2 استفاده از روش لوله مویین برای اندازه گیری کشش سطحی..............................................9 شکل 2-3 تعریف ابعاد و مولفه های توصیف شده در دستهی چهارم...................................................11شکل 2-4 تعریف مولفه های روش قطره معلق..........................................................................................11شکل 2-5 شماتیک روش چرخش................................................................................................................12شکل 3-1 شرایط انتقال جرم به کار گرفته شده در تعیین ضریب نفوذ با استفاده از تغییر حجم فاز گاز.........................................................................................................................................................................17شکل 3-2 شماتیک تجهیزات آزمایشگاهی روش بدست آوردن ضریب نفوذ از طریق کشش سطحی ...............................................................................................................................................................................20شکل3-3 تصویر شماتیک یک قطره که به وسیلهی گاز محاط شده است........................................21شکل 5-1 شماتیک تجهیزات استفاده شده برای اندازه گیری کشش سطحی (1- محفظهی شیشه ای پر فشار، 2- دستگاه تولید کنندهی فشار، 3- مانومتر، 4- مخزن گاز، 5- مخزن مایع) ............34شکل 5-1 شماتیک یک قطره مایع معلق در حضور گاز پر فشار دی کسید کربن............................37شکل 6-1 کشش سطحی دینامیکی اندازهگیری شده برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان در فشار MPa895/6 و دماهای مختلف............................................................................................................45شکل 6-2 کشش سطحی دینامیکی اندازهگیری شده برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان در فشار MPa447/3 و دماهای مختلف..........................................................................................................45شکل 6-3 کشش سطحی دینامیکی اندازهگیری شده برای سیستم نیتروژن- هگزادکان در فشارMPa270/18 ودماهای مختلف....................................................................................................................46شکل 6-4 کشش سطحی دینامیکی اندازهگیری شده برای سیستم ننیتروژن- هپتان درفشارMPa 270/18ودماهای مختلف..........................................................................................................46شکل 6-5 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط دی اکسید کربن- هگزادکان در دماهای مختلف...................................................................................................................................................47شکل 6-6 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط دی اکسید کربن- هپتان در دماهای مختلف .................................................................................................................................................48شکل 6-7 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط نیتروژن- هگزادکان در دماهایمختلف..................................................................................................................................................................48شکل 6-8 تغییرات کشش سطحی تعادلی با فشار برای مخلوط نیتروژن- هپتان در دماهای مختلف ..............................................................................................................................................................................48شکل 6-9 منحنی کالیبراسیون برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان در دماهای مختلف...50شکل 6-10 منحنی کالیبراسیون برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان در دماهای مختلف........50شکل 6-11 منحنی کالیبراسیون برای سیستم نیتروژن- هگزادکان در دماهای مختلف.................51شکل 6-12 منحنی کالیبراسیون برای سیستم نیتروژن- هپتان در دماهای مختلف........................51شکل 6-13 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان در دماهای مختلف و فشار و فشار(آ) MPa 447/3 (ب) MPa481/4 (ج) MPa895/6...................61شکل 6-14 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان در دماهای مختلف و فشار (آ) MPa 724/1 (ب) MPa447/3 (ج) MPa481/4...............................62شکل 6-15 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم نیتروژن- هگزادکان در دماهای مختلف و فشار (آ) MPa 481/4 (ب) MPa618/8 (ج) MPa166/25 (د) MPa713/41...64شکل 6-16 ضریب انتقال جرم مرزی بر حسب زمان برای سیستم نیتروژن- هپتان در دماهای مختلف و فشار (آ) 481/4 (ب) MPa618/8 (ج) MPa166/25......................................................66 شکل 6-17 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم دی اکسید کربن- هگزادکان ............................................................................................................................................................69شکل 6-18 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم دی اکسید کربن- هپتان...................................................................................................................................................................69شکل 6-19 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم نیتروژن- هگزادکان.............................................................................................................................................................70شکل 6-20 تغییرات ضریب انتقال جرم مرزی با فشار و دما برای سیستم نیتروژن- هپتان...........70فهرست نشانههای اختصاری F (N)(MLT-2)نیروF2ضریب سرعت هیدرودینامیکیl (m)(L)واحد طولP (m)(L)محیط تماسRشعاع بدون بعدR0 (m)(L)شعاع انحنا در راس قطرهR1 (m)(L)شعاع انحناh (m)(L)ارتفاعhn (m)(L)ارتفاع سوزنX (m)(L)حول محور sشعاع چرخشXn (m)(L)ضخامت دیوارهr (m)(L)مولفه شعاعیrn (m)(L)شعاع داخلی سوزنb (m)(L)شعاع انحناg (m/s2)(LT-2)شتاب جاذبه گرانشیD (m)(L)قطر استوایی قطره d (m)قطر قطره در فاصلهDاز سر قطره(L)DAB (m2/s)(L2T-1)ضریب نفوذc (mol/m3)(MolL-3)غلظت گاز در مایعceq (mol/m3)(MolL-3)غلظت تعادلیCغلظت بدون بعدt (s)(T)زمانT (K)درجه حرارتmt (g)(M)مقدار گاز جذب شده به وسیله مایعz (m)(L)مولفه محوریZارتفاع بدون بعدPL (KPa)(ML-1T-2)فشار فاز مایعPS (KPa)(ML-1T-2)فشار فاز بخارPL0 (KPa)(ML-1T-2)فشار مرجع فاز مایعPS0 (KPa)(ML-1T-2)فشار مرجع فاز بخارBOعدد باندn (mol)مقدار گاز حل شده در مایع(Mol)Vc (m3)(L3)حجم قطرهVD(cm3/mol)حجم مولی حلال وقتی نفوذ به سمت صفر میل کند (L3Mol-1)VA (cm3/mol)حجم مولی حل شونده در نقطه جوش(L3Mol-1)k (m/s)(LT-1)ضریب انتقال جرم مرزیEتابع خطاIFTCAL (mN/m)کشش سطحی محاسباتی(ML-1T-2)ϴ (rad)(rad)زاویه هلالی مایعΔP (KPa)(ML-1T-2)اختلاف فشارΔρ (kg/m3)(ML-3)اختلاف دانسیتهφضریب ثابتω (rad/s)(radT-1)سرعت زاویهایνg (m3/g)تغییر حجم ایجاد شده به ازای واحد جرم گاز حل شده در مایع(L3M-1)βضریب ثابت فصل اولمقدمه مطالات اخیر نشان میدهد که فرآیند نفوذ مولکولی یک گاز مثل دی اکسید کربن، نقشی اساسی در فرآیندهای استحصال نفتی بازی میکند. بنابراین مطالعهی انتقال جرم در سیستمهای گاز-نفت، در شرایط دمایی و فشاری مخزن ضروری به نظر میرسد ]4-1[.از نظر فیزیکی، فرآیند نفوذ مولکولی گاز در نفت طی سه مرحله صورت میگیرد. ابتدا گاز تزریقی به سمت مرز گاز-نفت حرکت کرده و سپس در مرز نفوذ میکند و در نهایت وارد فاز نفتی میگردد. انتقال جرم گاز در نفت باعث میشود خصوصیات مرزی بین نفت خام و گاز تزریقی تغییر کند. در گذشته مطالعات زیادی برای تعیین پارامترهای انتقال جرم در سیستمهای مختلف گاز-نفت ارائه شده است. یکی از این روشها استفاده از تغییر کشش سطحی دینامیکی سیستم است ]5[.کشش سطحی در مرز دو سیال، نتیجهی انرژی اضافهای است که در اثر نیروهای بین مولکولی اشباع نشده در سطح به وجود میآید ]6[. این پارامتر با روشهای گوناگونی قابل اندازهگیری است که در فصل دوم به طور کامل در مورد آنها توضیح داده شده است.طبق بررسیهای به عمل آمده، کشش سطحی احتمالا مهمترین عاملی است که سبب میشود حدود یک سوم نفت درجا، پس از سیلابزنی با آب یا رانش با گاز، به صورت غیر قابل استحصال در بیاید ]8[.از طرف دیگر مطالعهی کشش سطحی در فرآیندهای ازدیاد برداشت به روش سیلاب زنی با حلال اهمیت ویژهای مییابد. یک حلال می تواند با تزریق به مخزن نفت را جابهجا کند. این تزریق میتواند سبب جابجایی امتزاج پذیر (تک فازی) یا امتزاج ناپذیر (دو فازی) گردد ]7[.مکانیزم های موثر در جابهجایی نفت به وسیله حلال عبارتند:استخراج اجزای سبک[1](و حتی متوسط) نفت به وسیلهی سیالکاهش کشش سطحی بین حلال و نفتو کاهش ویسکوزیته نفت از طریق حل شدن حلال در نفت[2]3. متورم شدن نفت از طریق نفوذ حلال درون نفت[3]از بین روشهای موجود برای اندازهگیری کشش سطحی، روش قطره معلق[4]، در دما و فشار بالا کاربرد بیشتری یافته است.در این تحقیق، با استفاده از داده های آزمایشگاهی کشش سطحی تعادلی و دینامیک، برای سیستمهای گاز- نرمال پارافین، دو نوع مدل انتقال جرمی مختلف بر روی سیستم قطرهی معلق بررسی، و روشی که نتایج آن منطبق بر نتایج آزمایشگاهی میشود به عنوان مدل اصلی انتقال جرم معرفی گردید. همین طور نحوهی تاثیر دما، فشار، زمان و نوع مواد شرکت کننده در فرآیند، روی پروسهی انتقالجرم تعیین گردید. فصل دوم2- مباني تحقيق در این فصل و فصل بعدی، توضیحاتی در مورد واژههای کلیدی موجود در عنوان پایان نامه داده خواهد شد. در ابتدا به تعریف کشش سطحی و روشهای اندازه گیری آن میپردازیم. 2-1- کشش سطحی تعادلی و روشهای اندازه گیری آن در درون یک فاز مایع، مولکولها به طور کامل توسط مولکولهای دیگر محاط میشوند، به طوری که نیروی جذب در همهی جهتها یکسان است. اما در مرز، نیروهای بین مولکولی از یک جنس نیستند و در نتیجه همدیگر را خنثی نمیکنند.این بر هم کنش سبب به وجود آمدن نیرویی به سمت داخل میگردد. این پدیده دقیقا همان عاملی است که سبب میگردد قطرات کوچک، شکل کروی به خود بگیرند. بنابراین میتوان گفت کشش سطحی[5] عبارت است از تمایل سطح به انقباض، برای حداقل کردن مساحت بین سطحی ]9[.از نظر فیزیکی، برای کشیدن یک فیلم صابون روی یک قاب سیمی شکل، بایستی نیرویی به اندازهی F وارد شود تا از پارگی فیلم جلوگیری گردد. اگر فیلم به اندازهی dx جابجا شود، انرژی آن به اندازهی Fdx بالا میرود. اگر سیستم در حالت تعادل باشد، این تغییر انرژی بایستی دقیقا برابر با انرژی آزاد سطح گردد، یا به عبارتیمعادله (2-1) را میتوان به صورت زیر ساده نموداین عبارت دقیقا معادل با کاری است که بایستی انجام شود تا مساحت سطح مایع را افزایش دهد و باعث شود سطح مایع، مانند یک پوست کشیده شده عمل کند که در اصطلاح علمی به آن کشش سطحی گفته میشود. این پدیده به صورت شماتیک در شکل 2-1 نشان داده شده است ]10[.