چکیده
در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مشخص سازی مرز پایداری امولسیونها از اهمیت ویژهای برخوردار است. فرایند آبزدایی از نفت خام، یکی از نمونههای با اهمیت این حوزه است که طی آن با اعمال میدان الکتریکی، قطرههای پراکنده در فاز امولسیون از نفت جدا میشوند. در این رساله پس از بررسی نتایج تحقیقات موجود در موضوع پایداری امولسیونها تلاش شده است که بر مبنای روابط ترمودینامیکی، مدلی برای پیشبینی رفتار فازی امولسیونها، به ویژه امولسیون آب در نفت، توسعه داده شود. در این راستا، با تعریف بخشهای مختلف جاذبه و دافعه، پتانسیل برهمکنش دوتایی بین قطرهها در حالتهای مختلف مشخص شد. با توجه به عدم وجود رابطهای صریح برای محاسبهی پتانسیل دوقطبی بین ذرات ماکروسکوپی، بر اساس نتایج به دست آمده از انتگرالگیری عددی رابطهی متوسطگیری زاویهای پتانسیل دوقطبی، معادلهی جدیدی بر مبنای رابطهی کیسام ارایه شده است که در مقایسه با رابطهی به دست آمده از فرض دوقطبی نقطهای، انحراف 40 درصدی را تصحیح میکند. با استفاده از مدل کرات نرم و تئوری اغتشاشی مرتبه یکم بارکر- هندرسون، فشار و پتانسیل شیمیایی قطرههای آب در دو فاز پراکنده در امولسیون و جدا شده از آن محاسبه شدهاند و با تعریف الگوریتم حل مناسب برای تساوی این توابع، نقاط تعادلی در شرایط مختلف به دست آورده شدهاند. مدلسازی در سه مرحلهی اصلی و با فرضهای وجود قطرههای هماندازه و بدون تغییر شکل، قطرههای هماندازه با امکان تغییر شکل و قطرههای غیرهماندازه صورت گرفته است تا در هر گام یکی از محدودیتهای مدل کنار گذاشته شود. نتایج حاصل از این تحقیق نشاندهندهی افزایش جزء حجمی آب در امولسیون اشباع از آب در اثر بالا رفتن دمای کارکرد است. به علاوه نشان داده شده است که با اعمال میدان الکتریکی، در بیشتر موارد با گذر از یک مقدار مشخص، منحنی فازی امولسیون اشباع از آب به سرعت به سمت صفر میل میکند. موضوعی که میتواند از لحاظ صنعتی برای تعیین حداقل میدان مورد نیاز جذاب باشد. در مرحله بعد حضور نمکهای معدنی در آب نیز مورد بررسی قرار گرفته و نتایج به دست آمده نشان داده است که به دلیل کاهش تراوایی الکتریکی ، حضور نمک کلرید سدیم در قطرههای آب منجر به افزایش میدان مورد نیاز برای شکستن امولسیون تا حد %8 شده است.
با توجه به نتایج به دست آمده، پدیدهی تغییر شکل قطرهها هنگام فرایند ائتلاف باید برای تعادل قطرههای کوچک (با قطر کمتر از یک میکرون) در نظر گرفته شود. این پدیده موجب افزایش جزء حجمی اشباع آب در فاز امولسیون و مقاومت بیشتر امولسیون در برابر میدان الکتریکی تا حد %14 برای قطرههای 400 نانومتری میشود. در مورد همین قطرهها با فرض ثابت بودن اندازه، کاهش کشش بین سطحی قطرهی آب/نفت موجب پایداری بیشتر امولسیون در محدودهی 3 تا 22 درصد برای کاهش کشش سطحی از 5 به 1 میلینیوتن بر متر میگردد. نتایج به دست آمده از مدل با دادههای تجربی موجود در مراجع مقایسه شده است و عملکرد مدل در بازتولید این دادهها رضایتبخش به نظر میرسد. در مورد قطرههای غیرهماندازه در بسیاری از موارد تعادل قطرهی بزرگتر تعیینکنندهی منحنی اشباع امولسیون تشخیص داده شده است؛ هرچند که در بعضی از موارد، در مقادیر کم میدان قطرههای کوچکتر تعیین کنندهی تعادل هستند و با افزایش میدان، پس از گذر از محل تقاطع منحنیهای مربوط به هر اندازه از قطره، تعادل به منحنی قطرههای بزرگتر جابجا میشود. در مجموع بر مبنای روابط ترمودینامیکی مدلی ارایه شده است که برخلاف بسیاری از مدلهای سینتیکی توانایی پیشبینی رفتار فازی امولسیون در شرایط مختلف را داراست.
واژگان کلیدی : امولسیون آب در نفت، مدل ترمودینامیکی، برهمکنش دوقطبی، کرات نرم، تئوری اغتشاشی بارکر- هندرسون، نمودار فازی