آب به عنوان يك جزء مزاحم در مخازن گازي:

[faridbensaeed]

آب به عنوان يك جزء مزاحم در مخازن گازي:
در مخازن گازی، آب به عنوان یک جزء همراه موجود می­باشد و آب و گاز در حال تعادل قرار دارند . در میان ناخالصیهایی که فروش گاز را با محدودیت مواجه می­سازد، آب به دلايل ذيل معروفترین ناخالصی است:
1- ارزش حرارتی گاز را پایین می­آورد.
2- گازهاي اسيدي (سولفيد هيدروژن و دي­اكسيدكربن)در آب مايع حل شده و باعث خوردگي لوله و تجهيزات مي­گردند.
3- بالا رفتن فشار و کاهش دما در هنگام انتقال گاز باعث میعان آب می­شود و آب مایع راندمان خطوط انتقال گاز را شدیداً کاهش می­دهد.
4- با پایین آمدن بیش از حد دما در فصل زمستان یا پس از افت فشار آدیاباتیک (که سبب کاهش سریع دما می­شود) پدیده تشکیل هیدرات رخ می­دهد. در صنایع نفت و گاز، هیدراتهایی که از آب و اجزای گاز طبیعی شامل متان، اتان، پروپان، ایزوبوتان، نرمال بوتان، نیتروژن، دی­اکسیدکربن و سولفیدهیدروژن تشکیل می­گردند، بسیار حائز اهمیت می­باشند.

Gas hydrate plug

معمولاً آب معروفترین ناخالصی یا آلودگی همراه گاز طبیعی است. حذف آب و یا پیش­گیری از تشکیل هیدرات گازی یک مفهوم اصلی و اولیه در خطوط گاز می­باشد. طراحی خطوط و مخازن نفتی و تأسیسات آبزدایی و حذف هیدراتهای گازی به پیش­بینی دو موضوع کلیدی از رفتار فازی نیازمند است:
1- مقدار آب موجود در گاز اشباع
2- دما و فشار تشکیل هیدرات گاز
بین شرکتهای تولیدکننده گاز طبیعی و شرکتهای خطوط لوله، بر سر کیفیت گاز دریافتی مجموعه قوانینی حاکم است که بیشتر شامل مقدار ناخالصی­های همراه گاز، ارزش حرارتی گاز، نقطه شبنم هیدروکربن و موارد دیگر است.
از آنجا که یکی از سازنده­های اصلی شبکه کریستالی هیدرات، مولکول آب است لازم است در مورد ساختار مولکول آب و نقش آن در تشکیل مولکول هیدرات توضیح بیشتری داده شود. مولکول آب در حالت کلی شامل یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن است که دو الکترون از چهار الکترون مدار آخر اتم اکسیژن با دو الکترون اتم هیدروژن در حالت اشتراک است. این سه اتم یک ساختار هرمی شکل با قاعده مثلثی به مرکزیت اتم اکسیژن را به وجود می­آورند. دو الکترون آزاد اتم اکسیژن در اختیار سایر هیدروژنهای مولکولهای دیگر آب می­شود و تشکیل پیوندی موسوم به "پیوند هیدروژنی" را می­دهد. با تشکیل این پیوند، یک شبکه شبه پلیمری در فاز مایع آب تشکیل می­گردد که بسیار پایدارتر از زنجیرهای باز همان تعداد مولکول هستند. هرچند که پیوندهای هیدروژنی در سایر ترکیبات مانند الکلها هم وجود دارد اما این پیوندها در آب به نحو خاصی قوی هستند.
نتیجه پیوند هیدروژنی این است که آب بتواند هیدرات را بسازد. پیوند هیدروژنی باعث می­شود که مولکولهای آب در یک جهت منظم آرایش یابند. آب سنگین هم پیوند هیدروژنی برقرار می­کند. ولی برای تشکیل هیدرات گازی در آب سنگین به فشار کمتری نسبت به حالت آب معمولی نیاز است.
وجود ترکیبات خاصی باعث می­شود که مولکولهای آرایش یافته پایدار گردند و یک مخلوط جامد رسوب کند، به این ترکیبات خاص که کریستال هیدرات را پایدار می­سازند مولکولهای مهمان یا واحدهای سازنده می­گویند.
وقتی یک مولکول گاز خیلی کوچک باشد اندرکنش بین مولکول گاز و مولکولهای آب در دیواره حفره بسیار ضعیف است و سهمی در پایداری نمی­تواند داشته باشد. یک روش برای تعیین ترمودینامیکی این موضوع که چه وقت یک مولکول در یک حفره قرار خواهد گرفت، این است که نسبت قطر مولکولی به قطر حفره محاسبه شود، اگر این نسبت کمتر از یک باشد ساختار هیدرات گازی می­تواند تشکیل شود.
پایداری حاصل از مولکولهای مهمان در هیدراتها نتیجه برهمکنشهای الکترواستاتیکی نبوده و صرفاً از نیروهای واندروالسی که در حقیقت یک جاذبه بین مولکولی است، نشأت گرفته است. هیچ پیوندی بین مولکولهای مهمان و میزبان در هیدراتهای گازی وجود ندارد و مولکولهای مهمان در داخل قفسی که از مولکولهای میزبان ساخته شده است، آزادانه می­چرخند به این خاطر به این ترکیبات محلولهای جامد گفته می­شود.
تقریباً تمام خواص آب شامل انبساط در حین انجماد، آنتالپی تبخیر زیاد و نقطه جوش بالا، با شکل مولکولهای آب و اندرکنشی که نتیجه این شکل است قابل توضیح می­باشد.
آب یک جزء مکمل سیستمهای سیال مخزن در مخازن و تجهیزات تولید، فرایند و سطحی می­باشد. همچنین آب به منظور افزایش بازیافت نفت به درون مخازن هیدروکربنی تزریق می­شود.
مولکولهای آب تشکیل یک ساختار سه بعدی از پیوندهای هیدروژنی می­دهند این ساختار به سرعت با افزایش دما تغییر می­کند. رفتار غیرعادی آب وابسته به اندازه کوچک، پیوند هیدروژنی قوی و مومنتم چندقطبی آن می­باشد. یکی از رفتارهای غیرعادی که آب نشان می­دهد ضریب تراکم آن است که ابتدا در فشارهای کم کاهش می­یابد، از یک مینیمم عبور کرده و سپس با افزایش دما زیاد می­شود. رفتار غیرعادی دیگر آب، چگالی آب خالص است که در ذوب در یک اتمسفر زیاد می­شود و این افزایش تا رسیدن به 4 درجه سانتیگراد ادامه می­یابد.