۲۳۰۴۲پ
per
بررسی نانومقیاس رفتار آسفالتین در سطح مشترک آب-نفت
Nano Scale Study of Asphaltene Behavior at Oil-Water Interface
/کوثر خواجه
: مکانیک
، ۱۳۹۹
، راشدی
۹۹ص
چاپی - الکترونیکی
دکتری
تبدیل انرژی
۱۳۹۹/۰۴/۱۶
تبریز
در سال‌صهای اخیر روش‌صهای محاسباتی بر مبنای ساختار مولکولی مثل شبیه‌صسازی دینامیک مولکولی بصورت فزاینده‌صای در حال گسترش و ترکیب با روش‌صهای تجربی هستند تا بتوانند تحلیل درست و جامعی از رفتار سیستم را در شرایط مختلف ارائه دهند .با استفاده از روش دینامیک مولکولی اطلاعات گسترده و درک عمیقی از اندرکنش‌صهای مولکولی حاصل می‌صشود که رفتار سیستم در مقیاس ماکرو به این تعاملات مولکولی نسبت داده می‌صشود .امروزه دانش علوم بین‌صسطحی بصورت گسترده‌صای در زمینه‌صهای مختلف صنعتی از جمله ازدیاد برداشت نفت، تهیه‌صی محصولات آرایشی و غذایی، تولید رنگ‌ص، دارو رسانی، تصفیه‌صی آب و ... کاربرد دارد .از سوی دیگر اثر بخشی اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر کارکرد سیستم‌صهای مختلفی مطالعه و گزارش شده است که از آن جمله می‌صتوان به تغییر خواص ترموفیزیکی آب و برخی حلال‌صهای صنعتی در حضور میدان مغناطیسی ثابت اشاره کرد .در این رساله به منظور بررسی تاثیر نیروی ناشی از میدان مغناطیسی یکنواخت و ثابت بر سطح مشترک آب-نفت، از روش شبیه‌صسازی دینامیک مولکولی استفاده شده است .به این منظور تغییراتی در الگوریتم انتگرال‌گیری موجود در کد منبع پکیج شبیه‌صسازی دینامیک مولکولی نمد صورت گرفته و میدان مغناطیسی در قالب نیروی لورنتز به این کد منبع اضافه شده است .در ادامه، به منظور اعتبار سنجی کد منبع توسعه‌صیافته، اثر میدان مغناطیسی خارجی بر ذره‌صی باردار در حال حرکت و همچنین بر خواص ترموفیزیکی آب مثل ضریب خودنفوذی مطالعه شده است .نتایج بدست آمده تطابق بسیار خوبی را با نتایج موجود در ادبیات فن نشان داده و صحت عملکرد کد توسعه یافته تایید شده است .با استفاده از روش ارائه شده در این بخش، کاربران نمد قادر خواهند بود که اثر میدان مغناطیسی را در شبیه‌صسازی‌صهای خود اعمال نمایند .در بخش بعدی این رساله، چگالی هیدروکربن-های خالص هپتان و تولوئن و سپس کشش بین‌صسطحی و توزیع چگالی سطحی آب-هپتان و آب-تولوئن به منظور اعتبارسنجی روش کار، محاسبه و گزارش شده است .نتایج بدست آمده با داده‌صهای موجود در ادبیات فن مقایسه شده و درستی روش کار محاسباتی تایید شده است .برای سیستم سطح مشترکی آب-تولوئن مقادیر کشش بین‌صسطحی، توزیع چگالی در واحد طول جعبه-ی شبیه‌صسازی و همچنین نمودارهای تابع توزیع شعاعی و مقادیر نیروهای غیرپیوندی در حالت با و بدون اثر میدان مغناطیسی بدست آمده است .از جمله نتایج بدست آمده در این قسمت می‌صتوان به اثر کاهشی میدان مغناطیسی خیلی قوی بر کشش بین-سطحی آب-تولوئن) به ترتیب ۳/۵ و ۳/۸ برای میدان‌صهای با شدت ۴ و ۶ تسلا (و همچنین اثر افزایشی آن بر مقدار نیروهای غیر پیوندی بین جفت اتم‌صهای مورد نظر از مولکول‌صهای تولوئن و آب اشاره کرد .در ادامه‌صی این پژوهش، مدل PAPاز مولکول آسفالتین در سطح مشترک آب-تولوئن قرار داده شده و نتایج برای دو حالت با و بدون حضور میدان مغناطیسی بعد از به تعادل رسانی سیستم گزارش شده است .در این بخش مقادیر کشش بین‌صسطحی سیستم آب-آسفالتین-تولوئن و تابع توزیع شعاعی مابین جفت اتم‌صهای مورد نظر از مولکول‌صهای موجود در جعبه‌صی شبیه‌صسازی ارائه شده است .همچنین تعداد پیوندهای هیدروژنی تشکیل شده و توزیع چگالی مولکول‌صها در واحد طول جعبه به همراه وضعیت قرارگیری مولکول‌صها نشان داده شده است .نتایج بدست آمده نشان داده است که با اعمال میدان مغناطیسی به اندازه‌صی ۱۰ تسلا کاهشی به میزان ۲۵ در مقدار کشش بین-سطحی سیستم آب-آسفاتین-تولوئن حاصل می-شود .همچنین تعداد پیوندهای هیدروژنی تشکیل یافته بین مولکول‌صهای آب و آسفاتین PAP به مقدار ۴/۷ افزایش یافته است .در پایان بایستی خاطر نشان کرد که رساله‌صی پیش رو هرچند مطالعه‌صای نانو مقیاس در زمینه‌صی درک اثر میدان مغناطیسی خارجی بر سطح مشترک آب-نفت محسوب می‌صشود اما نتایج آن محدود به این حوزه نبوده و در تمامی کاربردهایی که در آن‌صها سطح مشترک دو مایع امتزاج‌صناپذیر مطرح است قابلیت بکارگیری دارد
Computational techniques such as molecular dynamics simulation have been extensively developed to provide a comprehensive analysis of the behavior of the system under different situations. Using molecular dynamics simulation method, a huge amount of information and deep understanding of the molecular interactions is obtained. The macro scale behavior of the system is attributed to the molecular interactions. Currently, the interface knowledge is widely used in the many industrial applications; such as enhanced oil recovery, preparing the food and cosmetic products, painting, drug delivery, water treatment and etc. In recent years the effectiveness of applying an external magnetic field has been reported in many cases. It has been confirmed that the thermo-physical properties of water and other industrial solvents are changed in the presence of the magnetic field. In this thesis, the molecular dynamics simulation method has been performed to investigate the effects of the uniform and constant magnetic field force on the water-oil interface. Since the NAMD (the molecular dynamics simulation package) has not been designed for considering the effects of magnetic field, the first part of this thesis has devoted to introducing the implementation method of the magnetic force inside the velocity Verlet algorithm. Then, to verify this modification in the source code, the effect of an external magnetic field on the moving charged particle has been simulated, and besides the self-diffusion coefficient of water in the presence of the magnetic field force has been obtained. The results showed a good agreement with the results in the literature, and the verification of the developed program has been confirmed. By following this approach, the NAMD users can easily apply the magnetic force in their MD simulations. In the next part of this thesis, the density and the surface tension of the pure hydrocarbons (heptane and toluene) have been calculated. Then, the interfacial tension and density distribution of the molecules along the box length for the considerd interfacial systems; heptane-water, toluene-water, and toluene-asphaltene-water have been presented. It was found that the results have good agreement with reported ones in literature. Through the MD simulation of the toluene-water system, it has showm that the absolute value of the non-bonded energy is increased by applying an external magnetic field. It hass also indicated that the interfacial tension of water-toluene system is decreased under enough strong magnetic field (5.3 and 8.3 for B=4 T and B=6 T, respectively). Finally, an external magnetic field has been applied to a water-toluene simulation box with the PAP model of asphaltene molecules at the interface. The weaker interactions between the aromatic plates of the asphaltene molecules due to applying an external magnetic field have been observed. The electrostatic force between the water and oil phases in the presence of the magnetic field in competition with the absence of magnetic field has been increased. The migration of more asphaltene molecules to the interface has been observed by performing an external magnetic field to the system. The average number of hydrogen bonds between the asphaltene and water molecules increased (7.4 ), and the amount of interfacial tension decreased (about 25 ), as well. This thesis comprehensively deals with the detail of a molecular dynamics simulation and the velocity verlet algorithm in the NAMD package. The results of applying an external magnetic field to the interfacial system have been discussed in detail. It should be noted that the results obtained in this thesis will be applicable to all systems including liquid interfaces under the magnetic field effects
Nano Scale Study of Asphaltene Behavior at Oil-Water Interface
خواجه، کوثر
Khajeh, Kosar
امین فر، حبیب، استاد راهنما
محمدپورفرد، موسی، استاد مشاور
عمادی، محمدعلی، استاد مشاور
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
