کاربرد فناوری نانو در صنایع نفت و گاز

 ۱- مقدمه

در کشور ایران نفت و گاز یکی از مهم‌ترین ارکان اقتصاد به‌شمار می‌روند. همانند هر بخش دیگری در صنعت بخش نفت و گاز برای ارتقاء عملکرد و بهینه‌سازی تولید نیاز به استفاده از فناوری‌های جدید دارد. امروزه یکی از مهم‌ترین فناوری مورد استفاده در دنیا در این صنایع، فناوری نانو است. فناوری نانو به معنای بهبود عملکرد یا تولید مواد، تجهیزات و سامانه‌ها در ابعاد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر می‌باشد. علم فناوری نانو مطالعه و استفاده از ابزارهای بسیار کوچک است و می‌تواند در تمام زمینه‌های علوم دیگر، مانند شیمی، زیست‌شناسی، فیزیک، علم مواد و مهندسی مورد استفاده قرار گیرد. نقش فناوری نانو در صنایع پایین دستی به دلیل هزینه‌های پایین‌تر و حضور صنایع خصوصی در آن قسمت پررنگ‌تر است درحالی که فناوری نانو در صنایع بالادستی کاربردهای فراوانی دارد. در این گزارش سعی شده است کاربردهای فناوری نانو در صنایع نفت و گاز مورد بررسی قرار گیرد.

۲- کاربردهای فناوری نانو در صنایع نفت و گاز

همانطور که اشاره شد فناوری نانو در بخش‌های مختلف صنایع نفت و گاز کاربرد دارد در چارت زیر به‌طور کلی به برخی کاربردهای فناوری نانو در صنایع نفت و گاز اشاره شده است. در ادامه به بررسی اجمالی هریک از کاربردها خواهیم پرداخت.

شکل ۱- برخی کاربردهای فناوری نانو در صنایع نفت و گاز

۱-۲- کاربرد فناوری نانوفیلترها در صنایع نفت و گاز

هرگونه عملیات مکانیکی، فیزیکی یا زیستی که مواد جامد را از سیال‌ها (مایع‌ها یا گازها) جدا می‌کند، فیلتراسیون نامیده می‌شود. این فرایند به ‌وسیله یک محیط متخلخل که در آن سیالات اجازه عبور از این محیط را دارند، صورت می‌پذیرد. فیلترمی‌تواند کاغذ، پارچه، پشم، پنبه نسوز، پشم‌شیشه، سفال بدون لعاب، ماسه یا سایر مواد متخلخل باشد.

برای هر توربین گاز، فیلتراسیون هوای ورودی امری ضروری است. سیستم‌های فیلتراسیون با توجه به افزایش حساسیت توربین گاز نسبت به ذراتی که همراه با هوا وارد می‌شوند پیشرفت زیادی داشته‌اند. از این‌رو ورود فناوری نانو به این حوزه موجب پیشرفت بالایی در جداسازی آلاینده‌های ورودی به توربین‌ها شده است. برخی از عواقب فیلتراسیون ضعیف عبارت‌ است از رسوب، فرسایش، خوردگی و بسته شدن مجاری سرمایش که در نهایت منجر به کاهش توان و بازدهی توربین و زیان اقتصادی قابل ملاحظه می‌شود[۱،۲]. طراحی فیلترهای هوای ورودی به توربین‌های گاز می‌بایست به‌نحوی صورت پذیرد كه دو اصل مهم راندمان فیلتراسیون و كمترین مقدار افت رعایت شود. توربین‌های گاز باید طوری طراحی شوند كه كمترین انرژی برای مكیدن هوا از بیرون، توسط توربین گاز مصرف شود. بنابراین درحالیكه فیلترهای توربین گاز بیشترین ناخالصی‌های موجود در هوا را باید تصفیه كنند (راندمان بالای فیلتراسیون) كمترین افت فشار در مرحله مكش هوا باید وجود داشته باشد. كاهش در افت فشار سیستم فیلتر هوای ورودی باعث می‌شود كه توربین گاز انرژی كمتری برای مكیدن هوا مصرف كند كه نتیجه آن، انرژی زیادتر تولیدی خواهد بود. بنابراین برای طراحی فیلترها باید در دو جهت افزایش راندمان و کاهش افت فشار حرکت کرد [۳].

ورود فناوری نانو به صنعت فیلتر تازه‌ترین تحول به این عرصه می‌باشد. یکی از اشکال کاربرد فناوری نانو در فیلترها پوشاندن سطح الیاف بزرگ سلولزی و یا مصنوعی (معمولاً با قطر ۱۰ تا ۳۰ میکرومتر) با لایه‌ای از الیاف بسیار ریز نانو (معمولاً با قطر ۵۰ تا ۴۰۰ نانومتر) می‌باشد. دراین طرح کاغذ قبل از شروع عملیات اولیه در تولید فیلتر، به‌ وسیله‌ی جریان الکتریکی با لایه‌ای از الیاف پلیمری با قطر بین ۵۰ تا ۳۰۰ نانومتر لایه‌نشانی می‌شود. رشته‌های پلیمری با قطر نانومتری تحت تأثیر اختلاف پتانسیل بسیار زیاد تشکیل می‌شوند [۴].

برخی مزایای نانوفیلتراسیون [۵]

• فشار عملیاتی پایین
• شار بالا
• قابلیت بالای نگهداری نمک‌های آنیونی چند ظرفیتی
• هزینه‌های عملیاتی و نگهداری نسبتا پایین
• قابلیت انتخاب‌پذیری
• جداسازی بهتر و با بازده بیشتر نسبت به فیلتر‌های معمولی
• وزن کمتر

شکل ۲- مقایسه‌ی افت فشار بین فیلتر‌های تجاری و نانوفیلترها[۴].

افت فشار کم در نانوفیلترها نسبت به فیلترهای تجاری همان‌طور که در شکل۲ نشان داده شده‌است موجب می‌شود بتوانیم در فشار عملیاتی پایین‌تری کار کنیم که این شرایط به انرژی کمتری نیاز دارد و در نتیجه هزینه‌های عملیاتی کاهش می‌یابد.

۲-۲- کاربرد نانوپوشش‌های آنتی‌فولینگ در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی

یکی از مهم‌ترین این چالش‌ها پدیده‌ فولینگ (رسوب گذاری) است. پدیده‌ی فولینگ، تجمع مواد به‌طور ناخواسته بر روی سطوح جامد می‌باشد که موجب کاهش عملکرد سیستم می‌شود که این رسوبات می‌تواند شامل موجودات زنده یا مواد غیرزنده (آلی یا معدنی) باشد. این مواد ناخواسته عموماً کربنات کلسیم‌ها و منیزیم‌ها هستند که به رسوبات آب و آهک نیز معروفند. در صنایع نفت و گاز این پدیده معمولاً در تجهیزاتی که انتقال حرارت صورت می‌گیرد مانند مبدل‌های حرارتی و برج‌های خنک کننده اتفاق می‌افتد. این رسوبات موجب کاهش انتقال حرارت در مبدل‌ها و افزایش افت فشار می‌شود که هزینه‌هایی درپی دارد. هر سال هزینه‌ی هنگفتی صرف نگهداری و تعمیر اجزایی می‌شود که با پدیده فولینگ یا رسوب‌گذاری روبه‌رو هستند.

افزایش تقاضا برای نفت و گاز، گسترش صنایع وابسته به نفت و گاز و کاهش هزینه‌های مربوط به فولینگ موجب رشد بازار پوشش‌های آنتی‌فولینگ شده است. تولیدکنندگان زیادی تا به امروز پوشش‌های موثری را جایگزین پوشش‌های معمولی کرده‌اند ولی هیچ‌کدام نتوانسته‌اند مشکل آنتی‌فولینگ را به‌طور کامل ازبین ببرند. در حال حاضر محصولات جدیدی آمده‌اند و مورد آزمایش قرار گرفته‌اند که می‌توانند در دهه‌ی آینده مورد استفاده قرار بگیرند که نانوپوشش‌های بر پایه سیلیکون و تفلون از جمله آن‌ها می‌باشند [۶].

۳-۲- کاربرد نانوکاتالیست‌ها در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی

کاتالیست‌های صنایع پایین دستی نفت و گاز با ورود فناوری نانو به تحقیقات این حوزه، پیشرفت بسیاری کرده است. در صنایع شیمیایی و پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها کاتالیست‌ها به‌عنوان یک ماده‌ی ضروری برای افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی به‌کار می‌رود. پیشرفت‌های صنعت کاتالیست بیشتر مربوط به بهینه‌کردن کارایی آن‌هاست تا اینکه یک کاتالیست با خواص و عملکرد بهتر یافت شود.

به کاتالیست‌های دارای نانوذرات نانوکاتالیست گفته می‌شود. این کاتالیست‌ها می‌بایست حداقل یک بعد در ابعاد نانو داشته باشند و در مواردی ساختار نانویی آن‌ها برای بهبود خواص کاتالیستی تصحیح شده است. نانوکاتالیست‌ها سطح بزرگتری را برای انجام واکنش فراهم می‌کنند. کاتالیست‌ها برای افزایش یا کاهش سرعت واکنش‌های شیمیایی، بدون مصرف یا بدون تغییرات فیزیکی و شیمیایی دائمی استفاده می‌شوند. نانوکاتالیست‌ها در صنایع مختلفی مانند صنایع مواد غذایی، داروسازی، نفت و گاز، پالایش و پتروشیمی به‌کار برده می‌شوند.

کاتالیست مناسب، باید سطح فعال بالایی داشته و قابل جداسازی باشد. فناوری نانو، می‌تواند سطح فعال بسیار زیادی را برای کاتالیست فراهم آورد. با آن‌که سطح فعال نانوکاتالیست‌ها از کاتالیست‌های معمولی بسیار بیشتر است، سطح فعال یک نانوکاتالیست از یک کاتالیزور همگن همواره پایین‌تر است (کاتالیزور همگن با انحلال خود در تماس کامل با محتویات واکنش قرار دارد). در مقابل، نانوذرات کاتالیستی به دلیل ابعاد بزرگ‌تر نسبت به ذرات کاتالیست همگن، در محلول واکنش حل نشده و به سادگی قابل جداسازی هستند. سطح فعال زیاد به همراه قابلیت جداسازی کاتالیست در پایان واکنش، از نانوکاتالیست‌ها پلی میان کاتالیست‌های همگن و ناهمگن ساخته است. ممکن است فرآیند پیچیده تولید برخی از نانوکاتالیست ها هزینه‌بر به حساب بیاید، اما از آنجا که فناوری نانو مقدار کاتالیست، انرژی و زمان مورد نیاز برای انجام واکنش را تقلیل می‌دهد، این مورد قابل چشم‌پوشی است.

به‌طور کلی ابعاد نانو، شرایطی بی‌نظیر برای علم کاتالیست به‌وجودآورده است. سطح فعال بالا و گزینش‌پذیری مناسب در نانوکاتالیست‌ها موجب افزایش سرعت و بازده واکنش شده است. نانوکاتالیست، مزیت‌های کاتالیست‌های همگن (سطح بالا) و ناهمگن (قابل جداسازی) را داراست. ساختارهای نانوکاتالیستی دارای تنوع زیادی هستند؛ هم‌چنین جداسازی و تغییر در عملکرد آن‌ها توسط اصلاح شیمیایی آسان است. تاثیر فناوری نانو بر روی کاتالیست‌ها به‌صورت خلاصه در شکل ۳ مشاهده می‌شود. هرچند روند تحقیقات در زمینه‌ی سازوکار واکنش‌های نانوکاتالیست‌ها، کند و پراکنده بوده است، تحقیقات در سایر جنبه‌های این علم، به سرعت ادامه دارد و جذابیت آن روز به روز اضافه می‌شود[۷،۸].

شکل ۳- تاثیرات فناوری نانو بر روی کاتالیست‌ها[۹].

۴-۲- کاربرد نانوافزودنی‌های روانکار در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی

روانکارها در صنایع نفت و گاز بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این صنایع قطعات متحرک زیادی وجود دارد که اصطکاک و سایش بین اجزای آن‌ها سالیانه موجب هزینه‌ی زیادی برای تعمیرات و نگهداری این تجهیزات می‌شود. افزودنی‌هایی برای افزایش کارایی و بهره‌وری روانکارها استفاده می‌شود که یکی از این افزودنی‌ها نانوافزودنی‌های روانکار می‌باشد. این نانوافزودنی‌ها در روانکارها مزایایی از جمله افزایش مقاومت در برابر خوردگی و اصطکاک و کاهش دمای عملیاتی ایجاد کرده و موجب می‌شود نانوروانکار حاصله جایگزین بسیار خوب و مقرون به صرفه‌ای نسبت به روانکارهای معمولی باشد.

نانوافزودنی‌ها باعث بهبود خواص مختلفی از روغن‌ها مانند اصطکاک و سایش، رفتار تریبولوژیکی روانکار، گرانروی، نقطه ریزش و اشتعال، قدرت خنک کنندگی موتور و توانایی پاک کردن می‌شوند. این نانوذرات به شیوه‌های مختلفی ساخته شده و در غلظت‌های مشخصی به روغن روانکار پایه افزوده می‌شوند. در بسیاری از موارد مشاهده شده است که مخلوط روغن پایه و مواد افزودنی نانوساختار عملکرد بهبود یافته‌ای نسبت به روغن پایه فاقد مواد افزودنی نشان داده است. هدف تحقیقات در این زمینه یافتن نانو افزودنی متناسب با روغن پایه و غلظتی است که در این شرایط روغن روانکار بهترین کارکرد خود را نشان بدهد.

سطوح فلزی با وجود این‌که صاف و صیقلی به نظر می‌رسند دارای دندانه‌ها و پستی و بلندی‌هایی هستند که هنگام حرکت روی هم موجب سایش و اصطکاک شدید می‌شوند. روانکار معمولی با توجه به بزرگ بودن ذرات آن نمی‌تواند این حفرات ریز را پر کند بنابراین یک لایه روی سطح فلز تشکیل می‌شود که توانایی جلوگیری از ساییدگی را ندارد، درصورتی که نانوافزودنی‌های روانکار با توجه به اندازه کوچک ذرات آن‌ها این ویژگی را به روانکارها می‌دهند که درون ریزحفره‌ها نفوذ کرده و اثر سایش را تا حد بسیار خوبی پایین آورند. نفوذ نانوذرات در این حفره‌ها باعث کاهش هزینه‌های ناشی از پدیده سایش و اصطکاک می‌شود[۱۰،۱۱].

شکل۵-  الف) روانکار معمولی بر روی سطح یک فلز، ب)نانوروانکار بر روی سطح یک فلز

۳- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

فناوری نانو با توجه به تغییراتی که در ریزساختارها مواد ایجاد می‌کند موجب بروز خواص جدید یا تشدید خواص قبلی مواد می‌شود. استفاده از این خواص جدید در صنایع نفت و گاز موجب رفع بسیاری از مشکلات این صنعت می‌شود. از جمله کاربردهای فناوری نانو در صنایع نفت و گاز کاهش اصطکاک به کمک نانوروانکارها، افزایش سطح و درنتیجه افزایش خاصیت کاتالیزوری کاتالیست‌ها، کاهش میزان فولینگ و افزایش بازده فیلتراسیون می‌باشد.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۴- مراجع

[1].“Guideline for gas turbine inlet air filtration systems”, Gas Machinery Research Council, April 2010

[2]. http://jhsw.tums.ac.ir/browse.php?a_id=5078&sid=1&slc_lang=fa

[3]. http://poroshatfilter.com/portfolio/turbin_air/

[4]. http://www.nanoproduct.ir//product/71

[5]. https://com/wp-content/uploads/2015/02/7.pdf

[6]. http://www.coatingsworld.com/issues/2016-10-01/view_features/advances-in-antifouling-coatings-technology/

[7]. http://edu.nano.ir/paper/59

[8]. https://fa.wikipedia.org

[۹]. بررسي كاربرد نانوكاتاليست‌ها در صنايع نفت و پتروشيمي، سجاد خاكپور، سيد محمدرضا قوام، محمدرضا خوشچهره، اميدرمضاني، اردیبهشت ۹۰ 

[10]. http://www.mdpi.com/2075-4442/1/4/95/pdf

[11]. https://www.drdadditives.com/pressroom/TLT_Techbeat_Article_Aug2009.pdf