یکی از مهمترین مسائل در صنایع نفت، رسوب مواد آلی سنگین موجود در نفت خام است، که طی مراحل تولید، حمل و نقل و فرآوری نفت رخ می‌دهد. رسوب این مواد در مخازن، چاه های نفت، پمپ‌ها، تانک‌های ذخیره‌سازی، لوله‌های انتقال و تجهیزات پالایش، باعث اتلاف هزینه‌های فراوان می‌گردد. با پیش‌بینی مکان تشکیل رسوب می‌توان به کمک روش‌های مکانیکی، شیمیایی و یا تغییر شرایط محیطی، برای از بین بردن یا کاهش رسوب اقدام نمود. کریستالیزاسیون و رسوب ترکیبات واکسی منجر به بروز مشکلات زیادی در مراحل تولید، انتقال، ذخیره سازی و انجام فرآیندهای مختلف مربوط به نفت خام و یا مشتقات آن می‌شود. شرکت‌های نفتی در سراسر دنیا به دلیل کاهش تولید، هزینه‌ مواد شیمیایی مورد نیاز، انسداد خطوط لوله و افزایش انرژی مصرفی ناشی از ایجاد رسوبات، سالیانه میلیاردها دلار زیان می‌بینند. با کاهش ذخایر موجود و افزایش بهره‌برداری از مخازن نفت‌های سنگین و مخازن نفتی دور از ساحل، استفاده از روش‌های جدید و کارآمد برای رفع این مشکلات به یک ضرورت تبدیل شده است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

نفت خامی که از اعماق زمین استخراج می شود، شامل هیدروکربورهای سنگین و نیمه سنگین است که اشکال مختلف و خصوصیات متفاوت دارد. هیدروکربورهای سنگین شامل واکس ها، مواد آسفالتنی و رزین ها هستند که می توانند به صورت جامد، در ترکیبات ظاهر شوند که در این بین، واکس ها اهمیت خاصی دارند.تغییر عواملی مانند دما، فشار و ترکیب اجزای سبک در ترکیبات نفتی، سبب تشکیل رسوب های واکس پارافینی جامد در این ترکیبات می شود. رسوب واکس تشکیل شده به طور عمده شامل پارافین ها، نفتن ها و به مقدار کمی از دیگر هیدروکربورها، مانند آروماتیک هاست. تشکیل این رسوبات در مرحله اول می تواند منافذ زیرزمینی را مسدود کرده، باعث کاهش شدید نفوذ پذیری آنها شده و راندمان استخراج نفت را کاهش دهد. در مراحل بعدی نیز تشکیل رسوبات، مشکلات زیادی را به دنبال خواهد داشت. به عنوان مثال تشکیل رسوبات واکس در خطوط انتقال نفت خام، می تواند باعث گرفتگی لوله ها و افزایش مقاومت در برابر جریان و در نتیجه افت فشار جریان شده و علاوه بر افزایش توان مورد نیاز جهت پمپ نمودن سیال، موجب استهلاک زودرس تاسیسات شود. تشکیل رسوبات واکس در تجهیزات پروسسی مانند مبدل های حرارتی و خطوط لوله کاهش کارآیی این تجهیزات را به دنبال دارد.با توجه به اینکه در فرآیندهای روغن سازی یکی از مراحل اصلی فرایند، جداسازی واکس می باشد، اهمیت این پدیده مشخص می گردد. مساله تشکیل رسوب واکس و عوامل موثر بر آن، سالهای متمادی مورد بحث پژوهشگران بوده و اکثر روش ها و مدلهایی که جهت توصیف و پیش بینی این پدیده ارائه شده اند، توافق ضعیفی با داده های آزمایشگاهی دارند و از هیچکدام نمی توان به عنوان یک راه حل عمومی، جهت پیش بینی این پدیده، استفاده کرد. این مدلها اغلب دمای پیدایش واکس و میزان رسوب تشکیل شده را بالاتر از مقدار تجربی و آزمایشگاهی آن، تخمین می زنند.با توجه به توضیحات یاد شده، پیش بینی دمای تشکیل رسوبات واکس و در نظر گرفتن این دما در طراحی تجهیزات مربوط به استخراج، تولید و بهره برداری از نفت خام یا برش های نفتی، اهمیت خاصی دارد. مدل سازی ترمودینامیکی، یکی از راه های بررسی این پدیده است.[۱-۶]
فصل دو
اهمیت رسوب واکس
۲-۱- مشکلات رسوب واکس
با بوقوع پیوستن مشکل رسوب واکس، صنعت نفت برای چندین دهه دچار مشکل شده است، همزمان با ایجاد دو نگرانی اصلی -فنی و اقتصادی-. رسوب واکس می تواند خفیف، و یا می تواند به اندازه کافی شدید باشد که آن را غیر فابل کنترل کند (شکل ۲-۱).
مسائل فنی در ارتباط با رسوب موم عبارتند از :
کاهش تراوایی و آسیب سازند زمانی که در چاه و اطراف آن رخ می دهد.
کاهش در قطر داخلی و نهایتاً بسته شدن لوله های تولید جریان.
تغییرات در ترکیب مایع مخزن و رئولوژی مایع به علت جدایی فازها بواسطه ی رسوب ماده جامد رسوب واکس.
فشار اضافی وارده برای پمپاژ بر تجهیزات برای جبران افت فشار در امتداد خط جریان در نتیجه ی تغییرات رئولوژیکی به جهت شروع به تبلور واکس.

شکل ۲-۱- شدت رسوب واکس [۱۲۲]
از این رو، کنترل رسوب واکس ضروری است. برای پرداختن به موضوع رسوب واکس، سه پدیده ی مهم در نظر گرفته می شود : تشکیل رسوب واکس، نشست پویای واکس و انتقال حرارت از چاه. انسداد واکسی، که از رسوب واکس به دست آمده، ژلی است که حاوی بلورهای واکس جامد و مایع به دام افتاده.[۷] رسوب واکس پدیده ی ترمودینامیکی است که منجر به رسوب بلورهای واکس جامد می شود. رسوب پویا ی واکس پدیده ای که در آن یک ژل با بلورهای واکس و مایع تشکیل شده، می باشد. رسوب واکس به منظور توسعه راه حل های کنترل رسوب موم در چاه باید دقیقاً توصیف گردد.
واکس یک اصطلاح کلی است برای توصیف تمام انواع ماده جامد که رسوب کرده اند و یا در طی سرد یا گرم شدن در محلول حل شده اند، بکار می رود.درجه حرارت ظاهر شدن واکس(WAT) درجه حرارتی است که در آن بلور واکس برای اولین بار دیده می شود؛ آن را نیز نقطه ابری شدن می نامند.دمای تشکیل واکس نفت مخزن ذخیره (STO) با بهره گرفتن از Cross polar microscopy اندازه گیری شده و برای نفت زنده live oil)) از high pressure cross polar microscopy استفاده می گردد.درجه حرارتی که در آن تمام بلورهای واکس به درون نفت برمی گردند به عنوان درجه حرارت انحلال واکس شناخته می شود (Wax Dissolution Temperature). دمای انحلال واکس معمولا بالاتر از دمای تشکیل واکس می باشد.
رسوب واکس در طول تولید نفت خام پارافینی و حمل و نقل آن، یکی از جدی ترین مشکلات در عملیات پایین دستی و بالا دستی است که با آن مواجه هستند. این رسوبات به طور عمده توسط نرمال پارافین ها (آلکان ها ی خطی) و مقدار کمی از پارافین شاخه دار و همچنین ترکیبات آروماتیک تشکیل می شود. نفتن ها (حلقوی ها) و پارافین های با زنجیره بلند نیز به تشکیل واکس میکروکریستالی کمک نموده و تأثیر قابل توجهی در الگوهای رشد میکروکریستال ها دارد. تعداد مولکول کربن پارافین ها ی موجود در لایه رسوب واکس از ۱۵ اتم به بالاتر شناخته شده است. وقتی رسوب واکس شکل گرفت، به شکل کریستال خوشه ای است، که تشکیل یک ساختار کریستالی می دهد. کریستالی ذاتاً ترمو-پلاستیک بوده و می تواند به صورت جامد و یا مایع در محلول، بسته به درجه حرارت و شرایط فشار نفت خام وجود داشته باشد. تکنیک های پیشرفته تحلیلی این امکان را بوجود آورده اند تا ۱۶۰ اتم کربن در این رسوبات تشخیص داده شود.
۲-۲- توصیف واکس
۲-۲-۱ - تبلور واکس
تبلور به طور کلی فرایند جداسازی فاز جامد از محلول همگن می باشد، فاز جامد جدا شده به صورت بلور(کریستال) است. پارافین ها (واکس) در محلول به عنوان اجزای طبیعی نفت خام باقی می ماند تا زمانی که درجه حرارت نزدیک و یا پایین تر از حد حلالیت آنها برسد. جدایی واکس (فاز جامد) از نفت (فاز مایع) در شرایط مطلوب غالب[۸] به عنوان تبلور یا رسوب واکس اشاره شده است. دو نوع از کریستال های واکس متمایز شناخته شده اند.[۹] واکس ماکرو-کریستالی تشکیل شده عمدتا از نرمال پارافین ها و واکس میکرو-کریستالی متشکل از ایزو-پارافین ها و نفتن ها ( پارافین های حلقوی).
تشکیل بلورهای واکس شامل دو مرحله هسته زایی است. هنگامیکه حد حلالیت نزدیک می شود، انرژی جنبشی مولکول های پارافینی در نتیجه ی کاهش درجه حرارت کاهش می یابد. نتیجه کاهش این انرژی جنبشی، مانع حرکت مولکول های واکسی شده، منجر به کاهش مستمر و بسته شدن فضای بین مولکول ها می شود. با توجه به ادامه ی این روند، مولکول های واکس درهم پیچیده، تشکیل خوشه های بزرگتر و با ثبات پس از رسیدن به یک اندازه بحرانی قطعی است. اندازه بحرانی وابسته به شرایط حاکم است. با این حال، خوشه دوباره زمانی که اندازه بحرانی به دست نیامده باشد حل شده ناپایدار می گردد.
این خوشه ها به عنوان هسته نامیده می شود. هسته هایی که به اندازه بحرانی خوشه می رسند تعداد فزاینده ای از مولکول ها به آنها تحت شرایط حاکم چسبیده، که منجر به افزایش اندازه بلورهای واکس می گردد. این فرایند افزایش در اندازه، به عنوان “مرحله رشد کریستال واکس” شناخته شده است. هسته زایی و رشد در نفت به طور همزمان رخ می دهد ، حتی با وجود غالب بودن یکی از دو فرایند در یک زمان نسبت به دیگری.
۲-۲-۲- رسوب واکس(wax deposition)
واکس های نفتی را بر حسب مواد اولیه ای که از آن بدست می آیند، می توان به سه دسته تقسیم کرد.
الف: واکس های پارافینی
این نوع واکس از مواد اولیه با نقطه جوش پایین به دست آمده و بیشتر ترکیبات سازنده ان از هیدرو کربن های پارافینی تشکیل شده است. بیشتر هیدروکربن های شاخه دار از نوع ایزومر پارافین ها هستند. هیدروکربن های سازنده واکس دارای ۲۰ تا ۴۰ اتم کربن می باشند و جرم مولکولی آن ها بین ۲۸۰ تا ۵۶۰ متغییر است. همچنین در دمای عادی جامد بوده و گرانروی آن حدود ۳۵-۴۵ (در ۱۰۰ درجه سانتی کراد) و کریستال های آن به صورت سوزنی یا صفحه ای است.
ب: واکس های میکروکریستال
واکس های میکرو کریستال از واکس گیری مواد اولیه سنگین (مواد اولیه با نقطه جوش بالا) به دست می آیند. کریستال های آن از انواع پارافینی ریزتر بوده و جرم مولکولی آن حدود ۴۵۰-۸۰۰ و تعداد ترکیبات کربن سازنده آن بین ۳۲-۵۷ می باشد.
واکس های میکرو کریستال در مقایسه با انواع پارافین ها با اسید سولفوریک، اسید نیتریک و اسید سولفونیک بهتر ترکیب می شوند و علت این ترکیب، وجود هیدروژن، روی کربن نوع سوم است. انواع اکسید شده ی این واکس ها در صنایع تولیدی واکس کف اتاق استفاده می شود. همچنین در تولید رنگ به عنوان پیگمان سوسپانسیون به کار گرفته می شوند.
ج)پترولاتوم
اگر عمل واکس گیری بر روی مواد باقی مانده تقطیر انجام شود واکس حاصل را پترولاتوم می نامند. کریستال های آن از دو نوع قبلی ریزتر بوده و مقداری روغن را در خود نگه داری می کنند به طوری که معمولاً حالت ژلاتینی دارند.
جرم مولکولی آن بین ۵۶۰-۹۸۰ و نقطه ی ذوب آن بین ۵۵-۸۵ درجه سانتی گراد است. در مواثعی که بخواهند پترولاتوم را بدون استفاده از حلال و حرارت پخش کنند، از پترولاتوم امولسیون شده در آب داغ استفاده می شود. جدول ۲-۱ خواص فیزیکی و شیمیایی واکس های پارافینی-میکروکریستال و پترولاتوم را نشان می دهد.
جدول ۲-۱: خواص فیزیکی و شیمیایی واکس های پارافینی-میکروکریستال و پترولاتوم [۱۲۳]