فرایند جریانی ساده­شده­ای از یک فرایند تبرید در شکل ‏۳‑۳ آورده شده است. گاز ابتدا وارد مبدل گاز/گاز می‌شود تا کمی سرد شود. ادامۀ فرایند سرد شدن در واحد تبرید انجام می­گیرد. سپس گاز وارد جوش­آور واحد تبرید، که به آن‌ چیلر^[۱۲۹] می­گویند، شده و با گرم شدن مبرد، جریان گاز، سرد می­ شود.
برای جلوگیری از انجماد (یخ یا هیدرات) و جداکردن آب مایع، گلایکول هم به درون مبدل گاز/گاز و هم به درون چیلر اسپری می­ شود. گلایکول انتخابی برای این­کار، اتیلن­گلایکول (EG) است، زیرا نسبت به گلایکول­های دیگر، در دمای کم کارکرد بهتری دارد.

(( 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. ))

مخلوط وارد یک جداساز دما پایین^[۱۳۰] (LTS) می­ شود، که در آن‌ گاز از بالا، مایع هیدروکربنی از وسط و مخلوط گلایکول و آب از پایین آن‌ (بخش چکمه­ای^[۱۳۱]) خارج می­شوند. مایعات هیدروکربنی برای فرآیندهای بیشتر فرستاده می­شوند. مخلوط گلایکول- آب برای بازیابی و استفادۀ مجدد فرستاده می­ شود.
گاز فروش، گازی که از بالای LST خارج می­ شود، بسیار سرد است. بنابراین دوباره به درون مبدل گاز/گاز فرستاده می­ شود، تا قسمتی از انرژی خود را بازیابی کند. اگر پروپان مادۀ مبرد باشد، که به­ طور معمول در صنعت گاز طبیعی نیز به این­صورت است، دمای چیلر بین ۱۰- تا ۴۰- درجۀ سلسیوس (۱۵+ تا ۴۰- درجۀ فارنهایت) است. یکی از مزیت­های بزرگ این نوع فرایند این است که، گاز خروجی آن‌ هم از نظر نقطۀ شبنم هیدروکربن و هم از نظر محتوای گاز، براساس استانداردهای ماست و دیگر نیازی به جداکردن طبیعی واحد نم­زدایی و واحد کنترل نقطۀ شبنم هیدروکربن نیست.
شکل ‏۳‑۳ : فرایند جریان ساده شده برای یک واحد تبرید به همراه تزریق گلایکول
تشکیل هیدرات حین شروع پدیده
برای جلوگیری از تشکیل در‌حین پدیده باید به دنبال مقاومت‌های سر‌راه تشکیل باشیم. با بدست آوردن مقاومت‌های حین شروع پدیده هم‌می‌توان برای اولین بار به تشریح مقاومت‌های پدیده بپردازیم و هم برای محققین بعدی، پدیده را توجیه‌تر کنیم. با توجه به اینکه پدیده تابعی از دما، فشار، غلظت ترکیب و واکنش تشکیل هیدرات است بررسی حول این مقاومت‌ها صورت گرفته است. فشار و غلظت در بحث جرم به‌راحتی می‌توانند به یکدیگر تغییر پیدا ‌کنند که با مرور کتاب‌های انتقال جرم و حرارت فقط عوامل مقاومتی دما، غلظت و واکنش تشکیل پرداخته‌ایم. در کنار بررسی تعادلی تشکیل هیدرات، بررسی مقدار تولید هیدرات پس از عبور از نقطه تعادل و وابستگی آن‌ به عوامل مختلف دارای ارزش بسیار مهمی خواهد بود که به این بررسی اصطلاحاً سینتیک هیدرات گفته می‌شود. از آنجایی که فرایند تشکیل هیدررات مشابه فرایند کریستالیزاسیون می‌باشد، سه مرحله را می‌توان برای آن‌ در نظر گرفت :
۱- هسته‌زایی (Nucleation)
۲- فرایند رشد هسته‌ها (Growth)
۳- فرایند تجزیه (Dissociation)
از میان سه فرایند فوق، به فرایند رشد هیدرات پس از زمان هسته‌زایی پرداخته می‌شود.
از آنجایی که در فرایند تشکیل هیدرات مولکول‌ها از فازی به فاز دیگر نفوذ کرده و سبب تشکیل فاز جامد به همراه آزاد نمودن حرارت می‌گردد، سه پدیده انتقال حرارت، انتقال جرم و واکنش تشکیل هیدرات دارای نقش مهمی هستند. انتقال حرارت یکی از مهم‌ترین مباحث در بررسی تشکیل هیدرات است که برخی مطالعات نیز بر روی آن‌ انجام گرفته است. مراحل انتقال حرارت را می‌توان به دو مرحله تقسیم نمود که در شکل ‏۳‑۴ نشان داده شده‌اند]۵۷[ :
۱- انتقال حرارت بین سطح سرد که این سطح می‌تواند سطح سیال یا دیواره سرد باشد.
۲- انتقال حرارت در لایه نزدیک به سطح هیدرات
شکل ‏۳‑۴ : شمای کلی تغییرات دما در فاز مایع (از جداره ظرف تا سطح هیدرات) و کریستال هیدرات
در این شکل T_S دمای سطح هیدرات، T_B دمای توده سیال اطراف کریستال هیدرات و T_w دمای دیواره یا هر سطح مشترک دیگری می‌باشند. در مورد مقاومت مربوط به انتقال حرارت بر روی سطح کریستال هیدرات، آقای هاشمی نشان داده که مقدار اختلاف دما در لایه انتقال حرارت اطراف ذره هیدرات (T_B-T_s) در حدود ^۷-۱۰ تا ^۵-۱۰ درجه سانتی‌گراد است که نشان‌دهنده ناچیز بودن مقاومت حرارتی در لایه نفوذ حرارتی در اطراف کریستال می‌باشد. در صورتی که بتوان فاز مایع را با بهره گرفتن از همزن مناسب به خوبی همسان نمود، توزیع دمای یکسانی در محلول به وجود خواهد آمد که به‌معنای از بین بردن مقاومت حرارتی (از بین بردن پروفایل دما) در فاز مایع می‌باشد. سرد‌کردن تدریجی دما نیز می‌تواند به از بین بردن اثر مقاومت حرارتی در مسیر تشکیل هیدرات کمک کند. همانطور که در قبل گفته شد، هیدرات به صورت یخ است و برای ما یخ به معنای دمای صفر درجه سانتی گراد و کمتر از آن‌ تداعی می‌شود به همین خاطر نباید دمای خط لوله پایین باشد.
شکل ‏۳‑۵ نمای کلی از پدیده انتقال جرم و واکنش تشکیل هیدرات به صورت یک واکنش درجه اول را نشان می‌دهد. در این شکل شش مرحله برای نفوذ مولکول‌ها از درون فاز گاز به فاز مایع و تشکیل هیدرات را می‌توان فرض نمود]۵۸[ :
۱- انتقال جرم در فاز گاز از توده گاز به سطح مشترک
۲- تعادل ترمودینامیکی در سطح مشترک گاز- مایع
۳- انتقال جرم در فاز مایع از سطح مشترک به توده مایع
۴- انتقال جرم در توده مایع
۵- انتقال جرم در سطح مشترک مایع و هیدرات
۶- واکنش بر روی سطح هیدرات
شکل ‏۳‑۵ : پروفایل غلظت در مسیر نفوذ گاز تا رسیدن به سطح هیدرات
پارامتر‌های استفاده شده در شکل بالا :
C_G : غلظت مولکول‌های نفوذ کننده گاز در درون گاز
C_I : غلظت مولکول‌های نفوذ کننده گاز در سطح مشترک در تعادل با فاز مایع
C_BI : غلظت مولکول‌های نفوذ کننده گاز در درون فاز مایع در نزدیکی سطح مشترک
C_B : غلظت مولکول‌های نفوذ کننده گاز در درون توده مایع
C_S : غلظت مولکول‌های نفوذ کننده گاز در سطح مشترک مایع و کریستال
C_EQ : غلظت مولکول‌های نفوذ کننده گاز در تعادل با هیدرات
k_G : ضریب انتقال جرم در فاز گاز
k_L : ضریب انتقال جرم در فاز مایع
k_D : ضریب انتقال جرم بیرون ذره هیدرات
k_B : ضریب انتقال جرم در سطح مشترک مایع و کریستال
k_R : ثابت واکنش درجه یک
با نگاهی به مطالعات انجام شده بر روی فرایند تشکیل هیدرات از دیدگاه انتقال جرم، می‌توان نتیجه گرفت که عمده این فعالیت‌ها بر اساس در نظر گرفتن یک یا چند مقاومت‌های زیر استوار می‌باشند :
۱- مقاومت مربوط به انتقال جرم در سطح مشترک گاز- مایع در سمت مایع
۲- مقاومت مربوط به انتقال جرم در سطح مشترک مایع- هیدرات
۳- مقاومت مربوط به واکنش شیمیایی در سطح هیدرات
در سال ۱۹۹۴، اسکوبوگ^[۱۳۲] با بررسی بر روی آزمایشات محققین دیگر ادعا نمود که می‌توان مقاومت اصلی را در سطح مشترک گاز- مایع فرض نمود. مدل وی با دقتی حدود ۲۰ درصد می‌تواند مقدار مصرف گازهای متان و اتان برای تشکیل هیدرات را محاسبه نماید. برخی محققین نیز مراحل اول و سوم را در رشد هیدرات مؤثر دانسته‌اند. هر چند که اکثر تحقیقات انجام گرفته با در نظر گرفتن دو یا سه مقاومت در مسیر تشکیل هیدرات می‌باشند، امّا توجه به موارد زیر می‌تواند در تشخیص مقاومت اصلی از مقاومت‌های ذکر شده در تشکیل هیدرات بسیار مفید باشد:
۱- بررسی بر روی فرآیندهای جذب گاز به فاز مایع نشان می‌دهد که همواره دو مقاومت انتقال جرم یکی از درون فاز گاز به سطح مشترک و دیگری از سطح مشترک به درون فاز مایع در رقابت با یکدیگر هستند. بررسی جامعی از نقش این رقابت‌ها را می‌توان در مرجع ]۵۸[ مشاهده نمود. به صورت کلی اگر ضریب کلی انتقال جرم در سطح مشترک را بر مبنای فاز مایع، ضریب مربوط به فاز مایع و ضریب مربوط به فاز گاز را به ترتیب با نمادهای K_L ،k_L و k_G نشان دهیم، می‌توان رابطه زیر را بین آنها بیان نمود:

که در این رابطه، m نسبت ترکیب درصد فاز گاز به مایع می‌باشد. در صورتی که مقدار m زیاد باشد، حلالیت گاز در فاز مایع کم خواهد بود مانند انحلال گازهایی که تولید هیدرات می‌کنند، پس عبارت مقاومت فاز گاز در برابر فاز مایع قابل صرفه نظر کردن خواهد بود و در نظر گرفتن تمامی مقاومت برای فاز مایع دور از ذهن نخواهد بود. در مواردی که عکس فرض بالا رخ دهد، مانند مواردی که انحلال گاز در فاز مایع شدید باشد، مقدار m کوچک بوده و مقاومت گاز کنترل کننده انتقال جرم در نظر گرفته می‌شود. چنین شرایطی را برای انحلال آمونیاک در فاز مایع می‌توان متصور شد. بنا به توضیح داده شده می‌توان از مقاومت انتقال جرم مربوط به فاز گاز زمانی که سخن از تشکیل هیدرات و نفوذ گازهایی با حلالیت ناچیز مانند متان و اتان به میان آید، در برابر مقاومت فاز مایع صرف نظر نمود.
۲- استفاده از همزن برای یکنواخت نمودن خواص فاز تشکیل هیدرات علاوه بر از بین بردن مقاومت انتقال حرارت درون فاز مایع، باعث از بین بردن مقاومت انتقال جرم مربوط به توده فاز مایع نیز می‌گردد.
۳- بالا بردن دور همزن همواره یکی از عوامل افزایش انتقال جرم و در نتیجه کاهش مقاومت مربوط به آن‌ می‌باشد. به تعبیر دیگر بالا بردن دور همزن برای رسیدن به مقدار مصرف مواد اولیه برای راکتورهایی کاربرد دارد که مقاومت انتقال جرم در برابر مقاومت ناشی از واکنش کنترل‌کننده مقدار مصرف می‌باشد.
۴- مقاومت نزدیک به ذرات هیدرات از ترکیب دو مقاومت انتقال جرم از درون فاز مایع به نزدیکی فاز هیدرات و واکنش تشکیل‌هیدرات می‌باشد. رابطه زیر مقاومت کلی در دور هر ذره هیدرات را نشان می‌دهد: