مطالعه تجربي و شبيه سازي CFD شكست امولسيون هاي آب در نفت با استفاده از نانوسيالات مغناطيسي در حضور ميدان مغناطيسي

دكتري

چكيده استفاده از ميدان مغناطيسي به عنوان جايگزين ميدان الكتريكي براي جداسازي امولسيونهاي آب در نفت با هدف افزايش راندمان جداسازي و كاهش خطراتي كه در استفاده از ميدان الكتريكي وجود دارد، در دهه هاي اخير مورد توجه محققين قرار گرفته است. اگرچه اولين تحقيقات در اين زمينه در دهه هاي 1960 ارائه گرديده است اما به دليل محدوديت هاي موجود در مغناطيسه نمودن سيالات، استفاده از فناوري ائتلاف مغناطيسي در مقياس صنعتي با چالش جدي روبه رو بوده است. امروزه با گسترش فناوري نانو و فراهم شدن امكان ساخت سيالات مغناطيسي با صرفه اقتصادي، زمينه براي استفاده از فناوري ائتلاف مغناطيسي بيش از پيش فراهم گرديده است. با توجه به جديد بودن موضوع و كمبود تحقيقات در زمينه استفاده از ميدان مغناطيسي جهت شكست امولسيونها، در تحقيق حاضر به بررسي و مطالعه مكانيسم اثر ميدان مغناطيسي بر شكست امولسيونهاي آب در نفت پرداخته شده است. براي اين منظور رفتار ديناميك قطره هاي آب كه با اضافه نمودن نانوذرات مغناطيسي داراي خاصيت مغناطيسي شده اند، مورد بررسي تجربي و شبيه سازي قرار گرفتند. شكل تعادلي قطره مغناطيسي و فرايند برخورد و ائتلاف دو قطره مغناطيسي تحت تاثير ميدان مغناطيسي يكنواخت شبيه سازي گرديد. همچنين حركت و تغيير شكل قطره مغناطيسي در حال سقوط تحت تاثير ميدان مغناطيسي غيريكنواخت تصويربرداري شد و با نتايج شبيه سازي نيز مقايسه گرديد. شبيه سازي ها بر مبناي تكنيك ديناميك سيالات محاسباتي با افزودن كدهاي جديد در بستر نرم افزار متن باز OpenFoam صورت پذيرفت. براي شبيه سازي قطره هاي مغناطيسي از تركيب معادلات مغناطيسي ماكسول و معادلات حركت ناوير استوكس به همراه يك ديدگاه دو فازي، استفاده گرديد. به منظور حذف خطاهاي جريان كاذب و افزايش دقت در تعيين فصل مشترك، از تركيب دو ديدگاه VOF و Level Set، يك ديدگاه دوفازي به نام SCLSVOF توسعه داده شد و در شبيه سازيها استفاده گرديد. اثر پارامترهاي مختلف نظير شدت ميدان مغناطيسي، مغناطيس پذيري قطره، اندازه قطره، كشش سطحي و ويسكوزيته بر شكل تعادلي قطره منفرد و همچنين بر روي سرعت برخورد و ائتلاف دو قطره مغناطيسي مورد بررسي قرار گرفتند. با استفاده از نتايج شبيه سازيها و آناليز ابعادي، يك رابطه بي بعد براي تخمين شكل تعادلي قطره مغناطيسي و همچنين رابطه اي براي تخمين زمان برخورد دو قطره تحت تاثير ميدان مغناطيسي يكنواخت ارائه گرديد. تصويربرداريهاي آزمايشگاهي از حركت قطره مغناطيسي با نتايج شبيه سازيها مقايسه گرديد و تطابق خوبي بين نتايج مشاهده شد. رابطه به دست آمده براي تغيير شكل قطره نشان داد كه نسبت شكل تعادلي قطره با توان 0.6 از عدد باند مغناطيسي و توان 1.05 از عدد مغناطيس پذيري قطره، متناسب است. بررسي نتايج تصويربرداري و شبيه سازيها نشان داد كه قطره ها در حضور ميدان مغناطيسي غيريكنواخت با سرعت بيشتري در مقايسه با ميدان مغناطيسي يكنواخت ته نشين ميشوند. نتايج آزمايشگاهي نشان داد كه سرعت سقوط قطره در حضور ميدان مغناطيسي غيريكنواخت تا 4 برابر نسبت به حالت بدون ميدان، ميتواند افزايش يابد. واژه‌هاي كليدي: ائتلاف مغناطيسي، امولسيون آب در نفت، شبيه سازي دوفازي، نانوسيال مغناطيسي

190369

دانشگاه علم و صنعت ايران

دكتر منصور بزمي

طراحي، شبيه سازي و كنترل فرآيند

دكتر سيد حسن هاشم آبادي