گاز سیالی تراکمپذیر است. بدین معنا میتوان گفت در شرایط دمایی و فشاری خاص، گاز قابلیت متراکم شدن و یا تغییر فاز از گاز به مایع را دارد. شناخت و پیشبینی رفتار و حالت گاز برای تحت کنترل قرار دادن آن امری ضروری است. توصیف رفتار و حالت گاز با شناخت طبیعت آن و داشتن روابط دقیقی میان حجم، فشار و دمای گاز امکانپذیر خواهد بود. برای تحقق این مهم انواع متنوعی از معادلات حالت تاکنون ارائه شده است. با کمک معادلات حالت میتوان انواع نمودار حالت و یا نمودار فازی نظیر نمودارهای فشار-دما، فشار-حجم، حجم-دما و فشار یا دما بر حسب ترکیب درصد اجزا را برای شناخت و حالت گاز ارائه داد. با توجه به اهمیت فشار-دما در مهندسی گاز به معرفی این نمودار برای مخلوطهای گازی میپردازیم. نموداری که در ادامه خواهد آمد منحنی دما و فشار را برای مخلوطی گازی نمایش میدهد.
این منحنی به ازای ترکیب درصد مختلف هیدروکربنها در گاز شکل متفاوتی خواهد داشت، اما نمای کلی آن کم و بیش ثابت و مشابه همین است. در این شکل نقطهی A در شرایط مایع است. چنانچه در فشار ثابت، دما را افزایش دهیم و در امتداد خط A-B حرکت کنیم مایع تا رسیدن به نقطهی ۱ منبسط خواهد شد و در این نقطه مولکولهای کوچک گازی تشکیل شده و مایع را ترک خواهند کرد. این نقطه که در آن اولین حبابهای کوچک گازی از سیال مایع جدا میشود را نقطهی حباب می نامند و دمایی که در آن دما اولین گاز تشکیل خواهد شد را دمای نقطهی حباب گویند. اگر همچنان دما را افزایش دهیم حبابهای بیشتری تشکیل خواهد شد و این فرآیند آن قدر تداوم دارد تا میزان بسیار کمی از مایع باقی بماند: نقطهای که در آن تنها یک قطره مایع باقی مانده و در شکل نقطهی ۲ است را نقطهی شبنم و دمای این نقطه را دمای نقطهی شبنم گویند. افزایش بیشتر دما و رسیدن به نقطهی B سبب انبساط گاز خواهد شد.
در نمودار حالت دما-فشار مخلوط گازی به چه نکاتی دقت کنیم؟
- منحنی حباب: مکان هندسی نقاط حباب و مرز بین ناحیهي فاز مایع و ناحیه دو فازی است.
- منحنی شبنم:مکان هندسی نقاط شبنم و مرز بین ناحیهی گاز و ناحیهی دو فازی است.
- نقطه بحرانی: محل برخورد منحنی نقاط حباب و نقاط شبنم را نقطه بحرانی گویند. در این نقطه خواص فیزیکی گاز و مایع با هم برابر بوده و تشخیص فاز گاز از مایع بسیار دشوار است: نقطهی C
- نقطهی CricondenBar: بالاترین فشاری است که فاز مایع و بخار در تعادل با یکدیگر میتوانند وجود داشته باشند: نقطهی N
- نقطهی CridondenTherm: بالاترین دمایی است که فاز مایع و بخار در تعادل با یکدیگر میتوانند وجود داشته باشند: نقطهی M
- خطوط کیفیت: این خطوط به صورت خطچین درون ناحیهی دو فازی مشخص شده و بیانگر ترکیب درصدهای حجمی متفاوت در فشار و دمای معین است. تمام این خطوط از نقطه بحرانی میگذرند.
منحنی حالت دما-فشار مخلوط گازی چه موارد استفادهای دارد؟
۱. توصیف رفتار سیال درون مخزن و تقسیمبندی مخازن
پس از کشف مخزنی گازی و تخمین حجم گاز اولیهی آن مخزن، یکی از مهمترین نکات شناخت گاز درون مخزن و تشخیص نوع آن است. آزمایشاتی بر روی نمونههای سیال درون مخزن انجام میشود که منجر به تهیهی نمودارهای حالت میگردد و بر اساس آن و با در نظر گرفتن دما و فشار مخزن میتوان نوع مخزن گازی و نوع سیال مخزن را تشخیص داد. شکل زیر نیز طرحی از منحنی حالت برای دو مخزن گازی خشک و میعانی را در با مخازن نفتی نمایش میدهد.
۲. بررسی درکیب درصد اجزای هیدروکربنی و ناخالصیها در کنار رفتار گاز
در شکلهای زیر تاثیر حضور هیدروکربنهای سنگین، سولفید هیدروژن و دی سولفید کربن را بر روی نمودار حالت گاز مشاهده میکنید.
۳. طراحی مناسب سیستم فرآورش و انتقال گاز
مثالی داشته باشیم: در انتقال گاز با خط لوله، رفتار گاز اهمیت بسزایی دارد و در تمام طول مسیر باید به گونهای باشد که حالت تک فازی، فاز گازی، خود را حفظ کنید. تشکیل مایع و دو فازی شدن جریان در خط لوله سبب بروز مشکلاتی در سیستم انتقال خواهد شد. یکی از کاربردهای منحنی حالت، بررسی رفتار گاز در چرخهی انتقال توسط خط لوله بوده و میتوان با تنظیم شرایط فرآیندی و عملیاتی از ورود به ناحیهی دو فازی جلوگیری به عمل آورد.
علاوه بر کاربردهای ذکر شده، منحنی حالت شارح بسیاری از مسائل فرآیندی و ترمودینامیکی جریان گاز است و ابزاری مهم در انتخاب فرآیندها محسوب میشود.
فرآوری گاز طبیعی
همانطور که پیشتر گفته شد گاز طبیعی خام که از اعماق زمین استحصال میشود کاملا با گاز طبیعی مصرفی در اماکن مسکونی و تجاری متفاوت است. گاز پس از استحصال برای آنکه بتواند به عنوان سوختی پاک استفاده شود نیازمند مشخصات فنی لازم برای مصرف و انتقال است. در اولین مرحله نیازمند زدایش ناخالصیها و تصفیهی گاز هستیم و سپس برای بهینهسازی بهرهگیری به بازیافت هیدروکربنهای باارزش از جریان گاز طبیعی میپردازیم. از این هیدروکربنهای باارزش در فرآیندهای تبدیلی با سودآوری بسیار زیاد استفاده میشود.
فرآوری گاز طبیعی مجموعه عملیاتی پیچیده است که در جریان آن میتوان علاوه بر حذف ناخالصیهای گاز و استحصال گوگرد، ترکیبات ارزشمندی همچون اتان برای خوراک پتروشیمیها، پروپان و بوتان برای سوختی با ارزش تحت عنوان گاز مایع یا LPG و هیدروکربنهای سنگین به عنوان میعانات گازی از گاز طبیعی بازیابی و استخراج کرد که همگی از جملهی اقلام صادراتی هستند. متان دوست خوب ما نیز به عنوان گاز مصرفی تولید میشود.
عمل فرآوری برای رسیدن به محصول نهایی با کیفیت مطلوب جهت انتقال و مصرف در بیشتر تاسیساتی فرآوری گاز شامل چهار مرحلهی اصلی زیر است:
۱. تفکیک گاز از میعانات گازی
۲. تصفیه گاز طبیعی و حذف دی اکسید کربن و سولفور
۳. حذف نم و رطوبت از جریان گاز طبیعی
۴. بازیابی هیدروکربنهای باارزش و جداسازی و تفکیک مایعات گاز طبیعی
علاوه بر چهار مرحلهی مذکور از تجهیزات سرچاهی دیگری نیز استفاده میشود. برای جداسازی آب آزاد از گاز از جداکننده یا سپراتورها و برای حذف شن و دیگر ناخالصیهای بزرگ از فیلترها استفاده میشود. برای جلوگیری از خوردگی و ممانعت از تشکیل هیدراتهای گازی نیز با تجهیزات تزریق مواد شیمیایی به ترتیب مواد جلوگیری از خوردگی و ممانعتکنندههای هیدرات را تزریق میکنیم. در دو شکل زیر با مجموعهی کاملی از فرآیندهای گاز طبیعی که در فرآورش گاز برقرار است مواجهیم:
