پژوهش نفت

پژوهش نفت

شبیه‌سازی دینامیک مولکولی حلالیت گوگرد عنصری در مخلوط‌های دوتایی و سه‌تایی از گازهای ترش

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی گاز، دانشکده نفت، دانشگاه صنعت نفت، اهواز
2 گروهمهندسی گاز،دانشکده نفت اهواز، دانشگاهصنعت نفت، اهواز
3 گروه مهندسی نفت، دانشکده نفت اهواز، دانشگاه صنعت نفت، اهواز
10.22078/pr.2026.5798.3579
چکیده
رسوب گوگرد عنصری یکی از چالش‌های مهم در بهره‌برداری از مخازن گاز ترش و عملکرد تجهیزات تولید، انتقال و فرآورش گاز است. کاهش حلالیت گوگرد در شرایط عملیاتی می‌تواند منجر به انسداد خطوط، افت تولید، افزایش خوردگی و ایجاد اختلال‌های جدی در تضمین جریان شود. بنابراین، پیش‌بینی دقیق حلالیت گوگرد عنصری در دماها، فشارها و ترکیب‌های مختلف گازی از اهمیت عملیاتی و صنعتی بالایی برخوردار است. در این پژوهش، از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی با استفاده از نرم‌افزار LAMMPS برای پیش‌بینی حلالیت گوگرد در هشت مخلوط گازی شامل شش مخلوط دوتایی و دو مخلوط سه‌تایی گاز ترش استفاده شد. مدل‌سازی مولکولی بر پایه میدان‌های نیروی معتبر شامل مدل Ballone برای S₈، پتانسیل سه‌مرکزی برای CO₂ و مدل‌های Lennard-Jones و OPLS-AA برای گونه‌های گازی انجام گرفت. شبیه‌سازی‌ها در هنگردNPT، طی ۲۱ نانوثانیه و پس از حذف ناحیه گذرا، بر اساس معیارهای انرژی پتانسیل، انرژی جنبشی و تعداد مولکول‌های S₈ آزاد، در شرایط تعادلی پایدار تحلیل شدند. به منظور تعیین حلالیت، تعداد مولکول‌های S₈ جداشده از فاز جامد و وارد شده به فاز گاز با استفاده از تحلیل خوشه‌بندی استخراج و به واحدهای مهندسی تبدیل شد. نتایج حاصل برای تمامی مخلوط‌ها با داده‌های آزمایشگاهی معتبر مقایسه گردید. مقایسه‌ها نشان داد که شبیه‌سازی‌ها قادر به بازتولید دقیق حلالیت گوگرد بوده و مقدار خطای نسبی کل مجموعه داده‌ها کمتر از 1 % به دست آمد. همچنین تحلیل حساسیت پارامترها نشان داد که انتخاب شعاع برش مناسب و بهینه نقش قابل‌توجهی در پایداری عددی و افزایش دقت مدل دارد. به‌طور کلی، یافته‌ها نشان می‌دهد که روش دینامیک مولکولی قادر است رفتار تعادلی حلالیت گوگرد عنصری در مخلوط‌های دوتایی و سه‌تایی گازهای ترش را با دقتی بالا پیش‌بینی کند. این رویکرد می‌تواند به‌عنوان ابزاری قابل‌اعتماد برای تحلیل رسوب گوگرد در مخازن گاز ترش، طراحی واحدهای فرآورشی و بهینه‌سازی شرایط عملیاتی خطوط انتقال مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Molecular Dynamics Simulation of Elemental Sulfur Solubility In Binary and Ternary Mixtures of Sour Gases

نویسندگان English

Pouya Hosseinifar 1
Abbas Halvaei 2
Nadiyeh Salehi 3
1 Department of Gas Engineering, Ahvaz Faculty of Petroleum, Petroleum University of Technology, Ahvaz,
2 Department of Gas Engineering, Ahvaz Faculty of Petroleum,, Petroleum University of Technology, ahvaz
3 Department of Petroleum Engineering, Ahvaz faculty of Petroleum, Petroleum University of Technology, Ahvaz
چکیده English

Elemental sulfur deposition represents a major operational challenge in sour gas reservoirs and in gas production, transportation, and processing facilities. A decrease in sulfur solubility under operating conditions can lead to flowline blockage, production losses, intensified corrosion, and serious flow-assurance problems. Therefore, accurately predicting sulfur solubility across varying temperatures, pressures, and gas compositions is of substantial industrial relevance. In this study, molecular dynamics (MD) simulations were employed using the LAMMPS package to predict the solubility of elemental sulfur in eight sour-gas mixtures, including six binary and two ternary systems. The molecular modeling framework utilized validated force fields: the Ballone potential for S₈, a three-center model for CO₂, and Lennard-Jones and OPLS-AA models for the remaining gas components. Simulations were carried out in the NPT ensemble for 21 ns, and equilibrium states were identified after removing the transient region based on potential energy, kinetic energy, and the number of free S₈ molecules. Sulfur solubility was quantified by determining the number of S₈ molecules dissociated from the solid phase and dispersed into the gas phase using cluster-analysis techniques, followed by conversion into engineering units. The predicted values were compared against reliable experimental data for all gas mixtures. The results demonstrated that the MD approach accurately reproduced sulfur solubility, with an overall relative error below 1%. Sensitivity analysis indicated that selecting an appropriate cutoff radius significantly enhances numerical stability and model accuracy. Overall, the findings demonstrate that molecular dynamics is capable of reliably predicting the equilibrium solubility behavior of elemental sulfur in binary and ternary sour-gas mixtures. This computational approach provides a robust tool for analyzing sulfur deposition in sour-gas reservoirs and for optimizing the design and operational conditions of processing and transportation systems.

کلیدواژه‌ها English

Molecular dynamics simulation
Elemental sulfur
Sour gas
LAMMPS
Solubility