کلید واژه‌ها: امولسیون آب نمک در نفت خام، شیر اختلاط، دستگاه نمک‌زدا الکترواستاتیکی، موازنه جمعیت فهرست مطالب عنوان صفحه فصل اول:مقدمه و مفاهیم اولیه21-1- مقدمه21-1-1- عوامل موثر در پایداری امولسیون‌ها41-2- تاریخچه جدا کردن آب از نفت خام71-3- روش‌های جداسازی آب‌نمک از نفت خام81-3-1- ته‌نشيني توسط نيروي ثقل81-3-2- روش حرارتي91-3-3- استفاده از مواد شيميايي91-3-4- شست‌وشو با آب خالص‌تر101-3-5- روش‌های مكانيكي101-3-5- روش الکتريكي111-3-6- استفاده از غشاء121-3-7- استفاده از امواج اولتراسونیک و میکروویو121-3-8- روش بیولوژیکی131-4- شرح فرآیند نمک‌زداییالکترواستاتیک131-5- امولسیون‌سازی در شیر اختلاط161-5-1- راندمان اختلاط171-5-2- آب رقیق‌کننده171-6- اصول نمک‌زدایی الکترواستاتیکی191-6-1- جریان متناوب191-6-2- جریان مستقیم211-6-3- ترکیب میدان‌های متناوب و مستقیم221-6-4- فرکانس دوگانه24فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته262-1- مطالعات صورت گرفته در زمینه امولسیون‌سازی262-2- مطالعات صورت گرفته در زمینه جداسازی آب از نفت28فصل سوم: مدلسازی333-1- معادله موازنه جمعیت333-2- مدلسازی شیر اختلاط353-2-1- تابع شکست363-2-2- ضریب به هم چسبیدگی383-3- آنالیز مسیر حرکت قطره در حضور میدان الکتریکی403-3-1- نیروی الکتریکی القایی403-3-2- نیروی واندروالس433-3-3- توابع حرکت نسبی453-3-4- معادله مسیر حرکت463-4- مدلسازی دستگاه نمک‌زدای الکترواستاتیک تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی متناوب افقی و عمودی473-5- خواص فیزیکی آب نمک و نفت خام503-6- روش حل معادله موازنه جمعیت52فصل چهارم: نتایج و تحلیل داده‌ها564-1- نتایج حاصل از مدلسازی شیر اختلاط564-2- نتایج آنالیز حرکت قطرات در حضور میدان الکتریکی متناوب604-3- نتایج حاصل از مدلسازی دستگاه الکترواستاتیک624-3-1- دستگاه الکترواستاتیک یک مرحله‌ای میدان افقی644-3-2- ارزیابی صحت مدلسازی انجام شده724-3-3- دستگاه الکترواستاتیک دو مرحله‌ای میدان افقی744-3-4- دستگاه الکترواستاتیک میدان عمودی81فصل پنجم:نتیجه‌گیری و پیشنهادات84مراجع86چکیده و صفحه عنوان به انگلیسی فهرست جدول‌ها عنوان صفحه جدول 3-1 خواص فیزیکی آب-نمک و نفت خام........ 51جدول 4-1 ویژگی‌های جریان ورودی به شیر اختلاط... 57جدول 4-2 ویژگی‌های شیر اختلاط.................. 57جدول 4-3 مشخصات دستگاه الکترواستاتیک......... 65جدول 4-4 تأثیر شدت جریان بر راندمان جداسازی آب از نفت خام67جدول 4-5 تأثیر افت فشار بر راندمان جداسازی آب69جدول 4-6 اعتبارسنجی مدلسازی انجام شده........ 74جدول 4-7 مشخصات جریان‌های ورودی به مراحل اول و دوم دستگاه‌های نمک‌زدایی................................. 75جدول 4-8 مقایسه نتایج حاصل از مدلسازی و اطلاعات صنعتی79جدول 4-9 تأثیر دبی آب تازه مرحله دوم بر راندمان‌های جداسازی هر دو مرحله.................................... 80جدول 4-10 تأثیر شدت میدان الکتریکی بر فرآیند نمک‌زدایی دو مرحله‌ای......................................... 80جدول 4-11 تأثیر افت فشار شیر اختلاط بر فرآیند نمک‌زدایی دو مرحله‌ای......................................... 81جدول 4-12 مقایسه راندمان‌های جداسازی در میدان‌های افقی و عمودی 82 فهرست شکل‌ها عنوان صفحه شکل 1-1 نمای کلی واحد نمک‌زدایی .............. 14شکل 1-2 نمونه‌ای از شیر اختلاط صنعتی........... 17شکل 1-3 کریستال نمک در نفت خام .............. 19شکل 1-4 میدانAC و صفحات مشبک افقی .......... 20شکل 1-5 تأثیر میدان الکتریکی متناوب بر جابجایی بارهای الکتریکی ............................................. 21شکل 1-6 میدان DC و صفحات عمودی .............. 22شکل 1-7 میدان ترکیبی ........................ 23شکل 3-1 تولد و مرگ قطرات .................... 36شکل 3-2 تغییر شکل قطره در حضور میدان الکتریکی 41شکل 3-3 پلاریزه شدن قطره‌ها در میدان الکتریکی . 42شکل 3-4 نیروی‌های الکتریکی وارد بر قطره در حضور میدان 43شکل 3-5 فرم المانی دستگاه الکترواستاتیک...... 48شکل 3-6 بیان گرافیکی روش کلاس‌ها .............. 53شکل 4-1 نحوه تغییر توزیع قطرات آب در مقاطع مختلف شیر اختلاط 58شکل 4-2 جزء حجمی قطرات با قطرهای مختلف در خروجی از شیر اختلاط59شکل 4-3 نحوه توزیع قطرات آب در شیر اختلاط با تغییر اختلاف فشار60شکل 4-4 مسیر حرکت نسبی قطره‌ها در میدان الکتریکی متناوب افقی 62شکل 4-5 تأثیر فاصله اولیه دو قطره در میدان الکتریکی متناوب افقی............................................. 63شکل 4-6 مسیر حرکت نسبی قطره‌ها در میدان الکتریکی متناوب عمودی64شکل 4-7 فرآیند یک مرحله‌ای نمک‌زدایی الکترواستاتیک با صفحات عمودی............................................. 65شکل 4-8 توزیع قطرات آب در طول دستگاه الکترواستاتیک 66شکل 4-9 تأثیر شدت میدان الکتریکی بر تعداد قطرات خروجی از بالای دستگاه....................................... 67شکل 4-10 تأثیر اختلاف فشار بر قطرات خروجی از بالای دستگاه 69شکل 4-11 تأثیر دبی آب تازه بر راندمان جداسازی آب70شکل 4-12 تأثیر دما بر خروجی از شیر اختلاط...... 71شکل 4-13 تأثیر دما بر خروجی دستگاه نمک‌زدا..... 72شکل 4-14 تأثیر دمای فاز پراکنده بر توزیع قطرات جریان خروجی از فرآیند....................................... 73شکل 4-15 فرآیند دو مرحله‌ای نمک‌زدایی الکترواستاتیک 75شکل 4-16(الف) توزیع قطرات مرحله اول امولسیون‌سازی76شکل 4-16(ب) توزیع قطرات مرحله دوم امولسیون‌سازی77شکل 4-17(الف) توزیع قطرات آب در مرحله اول نمک‌زدایی 78شکل 4-17(ب) توزیع قطرات آب در مرحله دوم نمک‌زدایی79شکل 4-18 مقایسه جریان خروجی از میدان‌های افقی و عمودی82 فهرست نشانه‌های اختصاری ضریب HamakerAعدد بوندBiعدد مویینگیCaضرفیت گرمایی ویژهCpقطر قطرهdراندمان برخوردeijشدت میدان الکتریکیEاحتمال تولد قطرهv از شکست قطره wf (v,w)نیروFشدت جاذبه زمینgتابع شکستg (v)سرعت تولید ذراتHثابت قابل تنظیم معادلهkثابت بولتزمنkBتعداد قطرات حاصل از شکست قطره wm (w)متوسط تعداد ذرات در واحد حجمnتعداد برخورد ناشی از حرکات براونیNbrownتعداد برخورد ناشی از جریان آشفتهNturbulentفشارPفاصله بین مراکز قطراتrسرعت تغییر مختصات خارجیṘفاصله بدون بعد قطراتsغلظت نمکSزمانtدماTسرعتuحجم قطرهvسرعت قطره iنسبت به قطره j تحت تأثیر نیروی گرانشV(0)ijحجم قطرهwعدد وبرWeسرعت تغییر مختصات داخلیẊمختصات فضایی (مکان)z مقدمه و مفاهیم اولیه 1-1- مقدمه همواره نفت خام استخراج شده از چاه با ناخالصی‌های مختلفی از جمله گل، ذرات جامد، آب، نمک، املاح، مقادیر اندکی از فلزات وانادیوم، نیکل، مس، کادمیوم، سرب، و آرسنیک همراه است. این ناخالصی‌ها می‌بایست قبل از ورود به پالایشگاه به حداقل میزان ممکن برسند تا از بروز مشکلات جلوگیری شود. در بین ناخالصی‌ها، خطرناک‌ترین آنها وجود نمک در نفت خام است. ترکیب نمک محلول در نفت خام معمولاً به صورتکلرید سدیم و نمک‌هایمنیزیم و کلسیم می‌باشد. با گرم نمودن نفت خام، مخلوطی از ترکیبات کلرید، سولفات‌ها و کربنات‌های جامد بر جای می‌ماند و نمک‌های حل شده در نفت هیدروژن کلرید آزاد می‌کنند. وجود حتی مقادیر اندک کلریدریک، خاصیت خورندگی ترکیبات سولفوری را افزایش می‌دهد.وجود مقادیر زیاد آب نمک در نفت موجب بروز مشکلات بزرگ و خسارات مالی سنگین و مکرر می‌شود. زیرا:آب نمک موجود در نفت خام بر اساس قطر قطرات پراکنده در آن به سه دسته آب آزاد، آب امولسیون شده و آب حل شده تقسیم می‌شود. قطرات درشت آب که به صورت آزاد در نفت پراکنده‌اند، در مدت زمانی کمتر از پنج دقیقه در ته ظرف ته‌نشین می‌شوند. بخشی از آب نیز به صورت قطرات ریز امولسیون در نفت معلق می‌ماند و هیچ‌گاه خودبه‌خود ته‌نشین نمی‌شود. هر چه قطرات ریزتر باشند جدا کردن آنها از نفت خام مشکل‌تر است. آب حل شده در نفت نیز ته‌نشین نمی‌شود و در عمل تنها راه جداسازی آن، پایین آوردن درجه حرارت است. حلالیت آب در نفت تا حد زیادی تابع درجه حرارت و نوع هیدروکربن‌های موجود در نفت خام است.امولسیون به مخلوطی اطلاق می‌شود که قطرات یک مایع غیر قابل حل در مایع دیگر، پراکنده شده باشند. امولسیون‌ها در صنایع مهمی از جمله صنایع غذایی، آرایشی، تولید خمیر کاغذ و مقوا، سیالات بیولوژیکی، دارویی، صنعت کشاورزی و مهندسی نفت یافت می‌شوند [2]. مایعی که به صورت قطرات کوچک پراکنده و ناپیوسته است را فاز پراکنده، و مایعی که آنها را احاطه کرده را فاز پیوسته نامند. 1-1-1- عوامل موثر در پایداری امولسیون‌ها امولسیون آب در نفت خام ممکن است در هر یک از مراحل تولید نفت و صنایع فرآیندی به‌وجود آید؛ و به وسیله‌ی طیف وسیعی از مواد طبیعی موجود در نفت یا عوامل مختلف، پایدار بماند. پایداری امولسیون‌ها وابسته به عوامل مختلفی است که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد [3]. 1-1-1-1-اندازه قطره‌ها هرچه قطر قطرات فاز پراکنده بزرگتر باشد، امولسيون ناپايدارتر خواهد بود. بنابراین اگر با استفاده از روش‌هاي فيزيكي و شيميايي بتوان قطرات امولسيون را به هم متصل کرد، قطرات بزرگتري بوجود می‌آيد که در اثر اختلاف وزن مخصوص آب نمك و نفت ته‌نشين می‌شوند.