مقالة

نسخة منشورة
الحقوق الإبداعية: النسبة 4.0 (CC-BY)
الوصول المفتوح
لاكزيان، إ.، يزداني، س.، سلماني، ف.، مهيان، أ.، كيم، هـ. د.، غلمباز، م.، دينغ، هـ.، يانغ، ي.، لي، ب. و وين، ج. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4445-1589 (2024) فصل فوق صوتي نحو إزالة الغاز المستدام والتقاط الكربون. التقدم في علوم الطاقة والاحتراق، 103. 101158. ISSN 03601285 doi: 10.1016/j.pecs.2024.101158 متاح على https://centaur.reading.ac.uk/116623/

من المستحسن الرجوع إلى نسخة الناشر إذا كنت تنوي الاقتباس من العمل. انظر إرشادات الاقتباس.
النسخة المنشورة في: http://dx.doi.org/10.1016/j.pecs.2024.101158
الارتباط بهذا المقال DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.pecs.2024.101158
الناشر: إلسفير

جميع المخرجات في CentAUR محمية بموجب قانون حقوق الملكية الفكرية، بما في ذلك قانون حقوق الطبع والنشر. حقوق الطبع والنشر وحقوق الملكية الفكرية محفوظة للمبدعين أو حاملي حقوق الطبع والنشر الآخرين. يتم تحديد الشروط والأحكام لاستخدام هذه المادة في اتفاقية المستخدم النهائي.
www.reading.ac.uk/centaur

الأرشيف المركزي في جامعة ريدينغ
مخرجات أبحاث ريدينغ على الإنترنت

المحرر المعالج: كريستوف شولتز

تغير المناخ
التقاط الكربون
فصل فوق صوتي
تحويل الطاقة
تغيير الطور
فصل الغاز

نظرًا للحاجة إلى تحسين كفاءة الطاقة وتعزيز الاستدامة البيئية، كان هناك تركيز متزايد عالميًا على الغاز الطبيعي كبديل أنظف للطاقة. الغاز الطبيعي، الذي اعترفت به الاتحاد الأوروبي كخيار صديق للبيئة مع انبعاثات منخفضة مقارنة بالفحم والنفط، لعب دورًا رئيسيًا في معالجة مشكلة ندرة الطاقة. ومع ذلك، لا يزال المعالجة الفعالة للغاز الطبيعي أمرًا حيويًا لخفض الانبعاثات وضمان النمو المستدام لقطاع الغاز. ظهرت الفواصل فوق الصوتية (SSs) كتكنولوجيا واعدة لتنقية الغاز والتقاط الكربون، حيث تقدم مزايا مثل المعالجة الأنظف، البساطة،
الاعتمادية، السلامة، والجدوى الاقتصادية [1]. تستخدم هذه الفواصل فوهات متقاربة ومتباعدة لتوليد تدفقات فوق صوتية، مما يؤدي إلى انخفاض درجات الحرارة أثناء التمدد والتكثيف اللاحق للشوائب [2].

كما هو موضح في الشكل 1، يتكون فاصل فوق صوتي نموذجي من مولد دوامة، فوهة فوق صوتية، وموزع [1،74]. تحفز الفوهة فوق الصوتية ظروف ضغط منخفض ودرجة حرارة منخفضة، مما يتسبب في تغيير الطور لـ في التدفقات فوق الصوتية. يولد مولد الدوامة تدفقات دوامية قوية مع قوة طرد مركزي واسعة (>500,000 ج)، مما يسهل إزالة القطرات من الخليط. يتم توليد موجات صدمية بواسطة الموزع لتقليل سرعة التدفق من فوق صوتية إلى دون صوتية، مما يعزز استخدام طاقة الضغط، مع تبادل بعض انخفاض الضغط. في سياق

الفصل في غاز العادم الذي يحتوي على ، وبخار الماء، يضمن التصميم المحسن لفاصل فوق صوتي حدوث تغيير الطور لـ وبخار الماء في التدفقات فوق الصوتية، مع acting as the carrier gas [3].

تقدم هذه المراجعة نظرة شاملة على الحالة الحالية للفصل فوق الصوتي متعدد الأطوار لتنقية الغاز الطبيعي. تسلط الضوء على التقدم الرئيسي والتحديات في هذا المجال. ستثير الرؤى المستفادة من هذه المراجعة اهتمام الباحثين والمهندسين العاملين في مجال علوم الطاقة والاحتراق، بالإضافة إلى أصحاب المصلحة في صناعة الغاز الطبيعي.

على الرغم من أن الدراسة الحالية قد تقترح تركيزًا سائدًا على تنظيف الغاز الطبيعي، وهي تقنية تمت مراجعتها مؤخرًا من قبل كاو وبيان [5]، من المهم أن نبرز أن مقالة المراجعة الحالية لدينا قد تم إعدادها بدقة لتقديم تحليل شامل ودقيق للموضوع. في هذه المراجعة، تمتد جهودنا إلى ما هو أبعد من أوجه التشابه مع العمل في المرجع [5]. أولاً، لقد بذلنا جهدًا جادًا لإنشاء مراجعة شاملة ووافية تتعمق في الموضوع الأساسي. لا تستكشف مقالتنا فقط تعقيدات آلية الفاصل فوق الصوتي في تنقية الغاز، بل تقوم أيضًا بإجراء فحص متعمق للمنظر الأوسع من الدراسة التقنية إلى الاقتصادية
ثانياً، تشمل مراجعتنا مجموعة من الجوانب الحيوية. من الجدير بالذكر أننا نقوم بتقييم دقيق للطرق العملية التي تركز على تنقية الغاز وإزالة ثاني أكسيد الكربون، مما يسهل إجراء تحليل مقارن شامل. علاوة على ذلك، نوسع نطاق تدقيقنا ليشمل ما هو أبعد من التقييمات الديناميكية الحرارية البسيطة. تتبنى مراجعتنا نهجاً شمولياً، حيث تأخذ في الاعتبار الجوانب الاقتصادية والبيئية والاستدامة، مما يرسم صورة أكثر اكتمالاً للموضوع. أخيراً، تتقدم مراجعتنا نحو الابتكار من خلال استكشاف المزايا التي تقدمها تسييل الغاز. نتعمق في مجال تسييل الغاز، مسلطين الضوء على دور الفاصل فوق الصوتي في هذا السياق. لا تقدم مقالتنا مجرد نظرة عامة سريعة؛ بل تسعى إلى مقارنة شاملة وفعالة بين فاعلية الفاصل فوق الصوتي والطرق البديلة. في جوهرها، بينما قد تشترك مقالتنا في بعض القواسم مع العمل في المرجع [1]، إلا أنها مصممة بدقة لتقديم مراجعة شاملة ومتميزة. من خلال عدم الاكتفاء بتفكيك آلية الفاصل فوق الصوتي، بل أيضاً تقديم استكشاف شامل للطرق العملية، والآثار الاقتصادية، والتطورات مثل تسييل الغاز، تظل مراجعتنا مساهمة فريدة وقيمة في الموضوع المطروح.

حوالي تلبية احتياجات الطاقة في العالم حاليًا من قبل محطات الطاقة التي تعتمد على الوقود الأحفوري. لقد لعبت الأنشطة البشرية دورًا رئيسيًا في زيادة مستويات غازات الدفيئة، مما أدى إلى ارتفاع درجة حرارة الأرض بمقدار درجة مئوية واحدة عن الأوقات ما قبل الصناعية [6]. من الضروري السيطرة على تُعتبر الانبعاثات من هذه الغازات السبب الرئيسي للتغير المناخي العالمي. أصبح احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) طريقة شائعة لمعالجة ظاهرة الاحتباس الحراري. يتغير مشهد الطاقة في العالم بشكل كبير، مع تركيز أكبر على إيجاد خيارات طاقة مستدامة وصديقة للبيئة. يُنظر إلى دمج CCS على أنه أمر حاسم في الاستراتيجيات الرامية إلى تقليل التغير المناخي لأنه يعمل كحلقة وصل بين الوقود الأحفوري التقليدي وخيارات الطاقة المستدامة.

خلال القرن العشرين، شهد سوق الغاز الطبيعي توسعًا كبيرًا وتنوعًا. بالإضافة إلى دوره المعتاد كمصدر للطاقة، تتيح تقنية الغاز إلى سائل الجديدة إنشاء مجموعة متنوعة من الهيدروكربونات، تتراوح من مواد تشبه البنزين إلى مواد تشبه الديزل. في الوقت الحاضر، يتم الحصول على الغاز الطبيعي غير المعالج من ثلاثة أنواع مختلفة من الآبار: آبار النفط، وآبار الغاز، وآبار المكثفات. الغاز المصاحب هو الاسم المستخدم عادةً للغاز الطبيعي المستخرج من آبار النفط. يتمتع هذا الغاز بالقدرة على الوجود بمفرده في الخزان كغاز حر أو أن يتم خلطه مع النفط الخام كغاز مذاب. من ناحية أخرى، يأتي الغاز غير المصاحب من آبار تنتج أساسًا الغاز والمكثفات دون الكثير من النفط الخام أو أي منه. عادةً ما تنتج آبار الغاز الغاز الطبيعي الخام فقط، بينما تنتج آبار المكثفات كلاً من الغاز الطبيعي الحر والمكثفات الهيدروكربونية شبه السائلة.

بغض النظر عن مصدره، يتم اكتشاف الغاز الطبيعي غالبًا بالاشتراك مع هيدروكربونات أخرى مثل الإيثان والبروبان والبيوتان والبيتان بعد فصله عن النفط الخام. علاوة على ذلك، يتكون الغاز الطبيعي غير المعالج من مجموعة متنوعة من المواد الأخرى مثل من بين أمور أخرى. في هذا المزيج، تعتبر سوائل الغاز الطبيعي (NGLs) ذات قيمة كبيرة كنواتج ثانوية لمعالجة الغاز الطبيعي. تشمل سوائل الغاز الطبيعي الإيثان والبروبان والبيوتان والإيزو-بيوتان والبنزين الطبيعي، وتباع بشكل فردي ولها استخدامات متنوعة. تشمل هذه الأهداف تحسين استرداد النفط في آبار النفط، والعمل كمواد لمصافي النفط أو المصانع البتروكيماوية، والتصرف كمصادر للطاقة.

في المستقبل، هناك مصادر مختلفة محتملة للميثان، مثل غاز المدافن، والغاز الحيوي، وهيدرات الميثان. غاز المدافن هو شكل محدد من الغاز الحيوي، حيث يتم تعريف الغاز الحيوي عادةً على أنه الغاز الناتج من المواد العضوية دون أن يتم دمجه مع نفايات إضافية. تستخدم بعض المناطق حالياً الغاز الحيوي، وبالتحديد غاز المدافن، ولكن هناك فرصة كبيرة لمزيد من النمو واستخدام هذه المورد.

لقد جعلت التقدمات التكنولوجية من السهل استكشاف المواقع النائية، حيث تزداد الجهود لتلبية الطلب المتزايد على الغاز الطبيعي. ومع ذلك، فإن الغاز الطبيعي الموجود في هذه الخزانات غالبًا ما يحتوي على مستويات عالية من الشوائب والهيدروكربونات الثقيلة. الغاز المستخرج يحتوي بشكل رئيسي على الميثان والبروبان والإيثان.

على غرار النفط، يُعتبر الغاز الطبيعي مكونًا حيويًا في إمدادات الهيدروكربونات العالمية. ومع ذلك، فإن الغاز الطبيعي المستخرج مباشرة من رأس البئر، رغم غناه بالميثان، ليس نقيًا بما يكفي لمختلف التطبيقات. للحصول على ميثان نقي وهيدروكربونات ذات وزن جزيئي عالٍ مناسبة للاستخدامات المتنوعة، يتم استخدام سلسلة من خطوات التنقية، المعروفة بمعالجة الغاز أو تكرير الغاز. تشمل هذه الخطوات فصل الهيدروكربونات والسوائل المختلفة عن الغاز الطبيعي النقي.

بالإضافة إلى ذلك، تحمل الغازات الطبيعية تركيزًا معينًا من بخار الماء، الذي يزداد مع درجة الحرارة أو الضغط. يمكن أن تؤدي وجود الماء وتركيب الغازات إلى تكوين هيدرات عند درجات حرارة وضغوط مختلفة. من الضروري تطوير تقنيات تقلل من تكوين الهيدرات لضمان سير العمليات بسلاسة ومنع المشكلات المحتملة.

قبل النقل عبر خطوط أنابيب الغاز، يخضع الغاز الطبيعي الذي يحتوي على شوائب لعملية تجفيف وتحلية. تعتبر إزالة الرطوبة خطوة حاسمة خلال مرحلة تعبئة الغاز في خطوط الأنابيب لمنع تكوين الهيدرات وحماية الأنابيب من التلوث والتآكل.

بين عامي 2002 و2008، عرضت شركة توستر للهندسة الحيوية تنوع الفواصل في التطبيقات التي تتراوح بين الغاز
إزالة الرطوبة للتحكم في تكثف الهيدروكربونات و الإزالة [11]. استنادًا إلى هذا الإرث، سلطت العديد من الدراسات الضوء على فعالية الفواصل فوق الصوتية (SS) لـ الاحتجاز، التجفيف، والتسييل [12].

تتمثل القدرة المميزة للفاصل فوق الصوتي في قدرته على تحقيق درجات حرارة أقل بكثير أثناء التمدد. وذلك بفضل التبريد الأديباتيكي المرتبط بفوهة لافال. تعزز هذه الميزة الفريدة من فعاليتها في استخراج الشوائب من تدفقات الغاز الطبيعي. تم فحص تصميم الفاصل فوق الصوتي بدقة في الدراسات العلمية، حيث تم التعمق في جوانب مثل تصميمه الهيكلي، وطرق التنفيذ، وكفاءة التشغيل، والجدوى الاقتصادية، والتطبيقات الصناعية المحتملة.

تتميز الفواصل فوق الصوتية في عدة جوانب مقارنة بتقنيات التنقية الأخرى، مثل الامتزاز، والامتصاص، والبرودة، والأغشية. على عكس طرق الامتزاز والامتصاص التي تتطلب غالبًا مرافق كبيرة، وأنظمة معقدة، واستخدام مواد كيميائية لها آثار سلبية على البيئة، تقدم الفواصل فوق الصوتية حلاً أكثر بساطة وفعالية من حيث التكلفة. نظرًا لهيكلها الأنبوب المدمج وغياب الأجزاء الدوارة، يضمن تصميم الفواصل فوق الصوتية الاستقرار ويقضي على تصريف المواد الكيميائية، مما يجعلها صديقة للبيئة.

باختصار، فإن المزايا الشاملة التي تقدمها الفواصل فوق الصوتية، إلى جانب مقارنتها المواتية مع تقنيات التنقية الأخرى من حيث الجدوى الاقتصادية، والأثر البيئي، ومرونة التشغيل، تؤكد على مكانتها كطريقة واعدة ومفضلة لتنقية الغاز الطبيعي. إن الاستكشاف العلمي المستمر لتصميمها وتطبيقاتها يعزز من إمكانيات الفصل فوق الصوتي في تلبية الاحتياجات المتطورة لصناعة الغاز الطبيعي. يتم تقديم ملخص للأدبيات التي تم مراجعتها، والتي تشمل الأعمال التجريبية والنمذجة العددية للفواصل فوق الصوتية، في الجدول 1.

يتم تقديم مراجعة شاملة للأدبيات في الفصول التالية، منظمة على النحو التالي: القسم 2 يناقش تأثير الهيدروكربونات الثقيلة، الشوائب الأخرى على جودة الغاز الطبيعي واستخدامه. يقدم القسم 3 مراجعة لتكوين وتطبيقات الفواصل فوق الصوتية. أولاً، يتم مناقشة نوع التصميم وقدرته على فصل الغازات. ثم يتم وصف دوره في التمدد فوق الصوتي والتكثيف. يتضمن هذا القسم أيضًا وصفًا للنمذجة الرياضية وتفاصيل المحاكاة، تليه مقارنة مع تقنيات الفصل التقليدية. يركز القسم 4 على تطبيقات الفصل فوق الصوتي في تنقية الغاز الطبيعي. ويولي اهتمامًا خاصًا لعملية إزالة الرطوبة، والهيدروكربونات و عمليات الإزالة، والدراسات المتعلقة بتسييل الغاز الطبيعي. في القسم 5، يتم مناقشة الأثر الاقتصادي والبيئي للفصل فوق الصوتي. أخيرًا، يستعرض القسم 6 التحديات الكبيرة والتعديلات على تنقية الغاز، ومحاكاة الفاصل فوق الصوتي، وإمكانية المزيد من البحث والتطوير، والآثار المترتبة على مجال الطاقة وعلوم الاحتراق.

لقد أدى الطلب المتزايد على الغاز الطبيعي إلى اكتشاف احتياطيات وفيرة في مناطق بعيدة، facilitated by advancements in modern technology. أثناء استخراج الغاز الطبيعي من الخزانات، يحتوي غالبًا على كميات كبيرة من الملوثات والهيدروكربونات الكثيفة. الغاز المستخرج يتكون بشكل أساسي من البروبان والميثان والإيثان، مما يشكل معظم تركيبة الغاز. توضح الجدول 2 أن الغاز الطبيعي يتكون بشكل رئيسي من مزيج من الهيدروكربونات القابلة للاحتراق. علاوة على ذلك، قد تتكون الغازات الطبيعية أيضًا من النيتروجين. )، ثاني أكسيد الكربون ( ) وكبريتيد الهيدروجين ( قد توجد أيضًا كميات ضئيلة من الأرجون والهيدروجين والهيليوم [45].

قبل أن يتم نقله لمزيد من المعالجة، يخضع الغاز الطبيعي الذي يحتوي على شوائب لعملية تكييف، تشمل التجفيف والتحلية. تُستخدم عملية التحلية لإزالة الهيدروجين.

كبريتيد وثاني أكسيد الكربون من تيار الغاز الطبيعي.

يمكن أن تتأثر جودة واستخدام الغاز الطبيعي بالهيدروكربونات الثقيلة وثاني أكسيد الكربون. وغيرها من الشوائب الموجودة فيه. يحتوي الإيثان والبروبان والبيوتان، وهي هيدروكربونات ثقيلة، على

طاقة أكثر لكل وحدة حجم من الميثان، المكون الرئيسي للغاز الطبيعي. يستفيد الغاز من وجودها حيث يعزز المحتوى الطاقي الكلي، وهو أمر مفيد بشكل خاص للتطبيقات التي تحتاج إلى قيم تسخين أعلى. ومع ذلك، يمكن أن تتأثر كفاءة احتراق الغاز الطبيعي أيضًا بوجود الهيدروكربونات الثقيلة والشوائب. قد تكون هناك حاجة إلى معالجة أو معالجة إضافية لهذه المكونات لضمان الاحتراق الكامل ومنع إنشاء منتجات ثانوية خطيرة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الملوثات مثل الهيدروكربونات الثقيلة و يمكن أن يقلل من قيمة التسخين للغاز الطبيعي. يمكن أن يؤثر الانخفاض في قيمة التسخين على كفاءة عمل الأجهزة والمعدات التي تستخدم الغاز الطبيعي للتسخين. وبالتالي، قد تتأثر جودة واستخدام الغاز الطبيعي بوجود هذه الشوائب، مما يستدعي تنفيذ إجراءات مناسبة لتعزيز فعالية احتراقه وسعته الحرارية لمختلف الاستخدامات.
والشوائب الأخرى الموجودة في الغاز الطبيعي يمكن أن تؤدي إلى التآكل وإلحاق الضرر بالأنابيب خلال عملية النقل. للحفاظ على متانة وعمر بنية الأنابيب التحتية، قد تكون هناك حاجة إلى خطوات إضافية لإزالة أو تقليل هذه الملوثات. علاوة على ذلك، تلعب دورًا حاسمًا كغاز دفيئة في عملية تغير المناخ العالمي. مستويات الارتفاع من من الأنشطة البشرية تسبب القلق بشأن الكمية المتزايدة من غازات الدفيئة في الغلاف الجوي [46]. عالم تؤدي المستويات دورًا مباشرًا في التسبب في تغير المناخ وتؤدي إلى زيادة درجات الحرارة العالمية [47]. في الغاز الطبيعي يساهم أيضًا في بصمته الكربونية الإجمالية. إعطاء الأولوية للجهود المبذولة لتقليل تعد انبعاثات الغاز الطبيعي أمرًا حيويًا، ويمكن تحقيق ذلك من خلال تنفيذ تقنيات احتجاز الكربون أو تقنيات التخفيف الأخرى. هذه التدابير ضرورية في تقليل الآثار البيئية للغاز الطبيعي ومعالجة تغير المناخ [48].

تتطلب خطوات معالجة إضافية لفصل وتنقية الغاز الطبيعي بسبب الهيدروكربونات الثقيلة والشوائب، مما يؤدي إلى تعقيد وزيادة التكاليف لمرافق المعالجة في المنبع، مما يؤثر في النهاية على الكفاءة التشغيلية والاقتصاديات. تأثير الهيدروكربونات الثقيلة، يمكن أن تختلف تأثيرات الشوائب مثل الكبريت والماء والمواد الأخرى على جودة الغاز الطبيعي واستخدامه بناءً على التطبيق المحدد والمعايير التنظيمية. تُبذل محاولات مستمرة لتحسين طرق معالجة الغاز وابتكار تقنيات لمعالجة هذه العقبات وتعزيز الكفاءة العامة واستخدام الغاز الطبيعي.

في الاقتصادات الناشئة، لا تزال التحديات مثل توزيع الطاقة المتقطع والتكاليف قائمة على الرغم من الاعتماد المتزايد على الطاقة المتجددة في المستقبل. مقارنة بالنفط والفحم، فإن الغاز الطبيعي (NG) ينبعث منه كربون أقل بسبب نسبة الهيدروجين إلى الكربون (H/C) الأعلى. نتيجة لذلك، يعمل القطاع على استبدال الأنظمة المعتمدة على الكربون بخيارات محدثة وصديقة للبيئة ذات بصمة كربونية أقل. يظل الغاز الطبيعي خيارًا موثوقًا للطاقة على المدى المتوسط. ومع ذلك، تظهر مشكلة ملحوظة مع من احتياطيات الغاز الطبيعي المؤكدة التي تحتوي على مما يتطلب أساليب إبداعية للاستكشاف والاستخراج [51].

تلعب انبعاثات الوقود دورًا حاسمًا في صناعة النفط والغاز البحرية.
نظرًا لمعالجة ونقل الهيدروكربونات على منصات الغاز والنفط [52]. تأتي الغالبية العظمى من الانبعاثات من هذه المنصات من توليد الطاقة باستخدام الغاز [53]. قام خشيجي والأمير [54] بالإضافة إلى شو وآخرون [55] بإجراء أبحاث حول الانبعاثات المرتبطة بتخمير الإيثانول.

غالبًا ما يتم تضمين بخار الماء في تدفقات الغاز الطبيعي بسبب التغيرات في درجة الحرارة والضغط. يتم تسريع التآكل في وجود الرطوبة بسبب وجود ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين في الغاز الطبيعي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي الهيدرات إلى تقليل قدرة التدفق وخلق انسدادات داخل الأنابيب. وجود الماء في أنبوب الغاز يمكن أن يسبب تدفقًا غير منتظم ويقلل من الكفاءة. علاوة على ذلك، يمكن أن تتراكم الجسيمات والهيدروكربونات الكثيفة على أسطح نقل الحرارة، مما يقلل من كفاءتها. يؤدي ذلك إلى انخفاض معدلات نقل الحرارة وأداء النظام بشكل عام. إن تنظيف الغاز الطبيعي أمر ضروري للحفاظ على نظافة أسطح نقل الحرارة، وتحسين تحويل الطاقة، وزيادة إنتاجية النظام.

إزالة الشوائب من الغاز الطبيعي والحفاظ على أسعار الكهرباء المعقولة يمثلان عقبة كبيرة، خاصة في ضوء التأثيرات المتزايدة لتغير المناخ بسبب الانبعاثات مثل يحتاج الغاز الطبيعي إلى المرور بعدة خطوات معالجة ليصبح وقودًا جافًا تمامًا وغازيًا مناسبًا للنقل والتوصيل عبر الأنابيب. ومع ذلك، فإن الشوائب الموجودة في الغاز الطبيعي، مثل المواد الصلبة والرطوبة والمواد المسببة للتآكل، قد تسبب ضررًا لأجهزة الاحتراق مثل الموقد والصمامات والمبادلات الحرارية. من خلال إزالة هذه الشوائب بشكل فعال، يمكن إطالة عمر المعدات، مما يقلل من متطلبات الصيانة وي minimizes downtime.

خلال إجراء معالجة الغاز الطبيعي القياسي، تتضمن الخطوات المختلفة التخلص من كبريتيد الهيدروجين. تجفيف، تعديل نقطة الندى المائية (WDPA) باستخدام البروبان، ضبط نقطة الندى الهيدروكربونية (HCDPA) باستخدام الهيدروكربونات الثقيلة )، وإزالة ثاني أكسيد الكربون [56]. يمكن أن تعطل الشوائب من مركبات الكبريت الاحتراق من خلال إنتاج أكاسيد الكبريت ( في هذه العملية. تضيف هذه المواد إلى مشاكل جودة الهواء وقادرة على تآكل الآلات. من خلال القضاء بكفاءة على مركبات الكبريت والملوثات الأخرى، يمكن تحسين عملية الاحتراق، مما يؤدي إلى كفاءة احتراق أفضل وانخفاض الانبعاثات.

بعض الشوائب، مثل المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) والملوثات الهوائية الخطرة (HAPs)، يمكن أن تؤدي إلى تلوث الهواء وتشكل مخاطر على صحة الإنسان والبيئة. تنظيف الغاز الطبيعي عن طريق إزالة الشوائب يقلل من انبعاث المواد الضارة، مما يؤدي إلى طرق تحويل طاقة أكثر صداقة للبيئة وطويلة الأمد. في بعض الحالات، يُستخدم الغاز الطبيعي كمواد خام لعمليات التحفيز في صناعات مثل مصافي النفط أو المصانع البتروكيماوية. يمكن أن تجعل الشوائب في تدفق الغاز المحفزات أقل فعالية وتقلل من كفاءة العملية. يتم تحقيق حماية ودوام المحفزات من خلال تنقية الغاز الطبيعي، مما يُحسن عمليات التحويل.

من خلال حقن إلى حقول النفط، يمكن إزالته من الغاز الطبيعي (NG) وكذلك استخدامه في استعادة النفط المعززة (EOR) [57]. في سياق ذي صلة، أجرى رايس وآخرون [58] دراسات تحسين على نفاذية الأغشية لمعالجة كل من الكتلة متطلبات الإزالة وEOR، مع الأخذ في الاعتبار الاعتماد على الوقت محتويات لتسهيل امتصاص المواد الكيميائية للتلميع النهائي. في دراسة لاحقة، قام رايس وآخرون [59] بتحسين نفاذية الغشاء (MP) من خلال أخذ الوقت المتغير في الاعتبار. تركيزات للتغلب على القيود المرتبطة بتعرض الكتلة الإزالة، مما يسمح بامتصاص المواد الكيميائية للتلميع. أشار أنور وآخرون [60] إلى الابتكارات أساليب التخفيف مثل الطحالب التقاط، النانو تكنولوجيا التقاط، والفحم الحيوي التقاط، من بين أمور أخرى.

باختصار، يلعب إزالة الشوائب من الغاز الطبيعي دورًا حيويًا في تحقيق الاحتراق الفعال، وحماية المعدات، وتعزيز كفاءة نقل الحرارة، والتحكم في الانبعاثات، والحفاظ على فعالية المحفزات. تسهم هذه العمليات التنقية في تحسين تحويل الطاقة، وتقليل الأثر البيئي، وتعزيز الأداء العام للنظام.

الفصلات فوق الصوتية (SS) هي أجهزة مدمجة (كما هو موضح في الشكل 1) مزودة بفوهات لافال متقاربة ومتباعدة وشفرات ثابتة عند المدخل لتوليد دوامات. تأثيرها التبريدي يتجاوز تأثير الموسعات وأنابيب الدوامة وأجهزة جول-طومسون (J-T) [61]. من المزايا الملحوظة للفصلات فوق الصوتية هو منع تكوين الهيدرات بسبب زمن الإقامة القصير، مما يلغي الحاجة إلى التجديد والمثبطات. هذه العملية صديقة للبيئة. تتطلب دراسات المحاكاة للفصلات فوق الصوتية نهجًا شاملاً يأخذ في الاعتبار صياغة المشكلة ويشمل جميع العوامل المؤثرة على الأداء. يتضمن تصميم أو فهم أداء وظروف تشغيل الفصلات فوق الصوتية اتخاذ عدة قرارات. يجب أخذ متغيرات مختلفة في الاعتبار، مثل عدد المراحل، معادلة الحالة، نوع الموجة الصدمية، هندسة الفوهة، واختيار سائل العمل. نقطة انطلاق جيدة هي تحديد النظام والتعمق في النظريات والأساليب البحثية الأساسية.

استخدام فوهة لافال في الفاصل فوق الصوتي يمكّن من التبريد الأديباتي، مما يؤدي إلى درجات حرارة منخفضة بشكل ملحوظ خلال مرحلة الفصل. تعزز هذه القدرة استخراج الشوائب [62]. لقد تم التحقيق بشكل موسع في أداء الفصل وتصميم الفواصل فوق الصوتية من خلال الدراسات العلمية.

يمكن تصنيف فواصل الطور التي تعمل في بيئة الجاذبية الصغرى إلى نوعين: ثابتة وطرد مركزي. الجهاز الثابت، الذي لا يحتوي على أجزاء متحركة، أكثر موثوقية للعمليات غير المأهولة على المنصة مقارنةً بالجهاز الذي يحتوي على أجزاء متحركة. يتم فصل الجسيمات بناءً على خصائصها في الترطيب. على الرغم من عمرها القصير، توفر الفواصل الثابتة مزايا مثل البساطة والموثوقية وانخفاض استهلاك الطاقة. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الرطوبة الزائدة إلى زيادة وجود الكائنات الدقيقة، مما يجعل الأجهزة أكثر عرضة للأعطال. الفاصل الهيدروفوبي-الهيدروفيل هو فاصل ثابت يفصل بين المواد الهيدروفيلية والهيدروفوبية من خلال استغلال الجذب والنبذ القابلين للعكس للماء. ومع ذلك، فإن المواد الهيدروفوبية تفقد في النهاية قدرتها على النبذ وحبس الجسيمات. من ناحية أخرى، تتطلب الفواصل الطرد المركزي طاقة أكبر ولكن لها عمر تشغيلي أطول. تزيد هذه الأجهزة من فصل الطور المكثف عن طريق تحويل السرعة المحورية إلى سرعة زاوية. يمكن العثور على الأجنحة أو الشفرات الدوارة إما قبل أو بعد حلق الفوهة في الفواصل الطرد المركزي.

تقدم الفواصل فوق الصوتية عدة مزايا مقارنة بالتقنيات التقليدية. تشمل بعض هذه المزايا الرئيسية.

بشكل عام، توفر الفواصل فوق الصوتية فوائد من حيث كفاءة المساحة، والنقل، والفعالية من حيث التكلفة، وانخفاض النفقات التشغيلية، والاعتبارات البيئية. تجعل هذه المزايا منها خيارًا
جذابًا لمجموعة متنوعة من الصناعات والتطبيقات.
في دراسة أجراها شوشترى وشهسافند [65]، تم التحقيق في تأثير زاوية الموزع على موقع الصدمات العادية، ومعاملات استرداد الضغط، ومواقع بدء الصدمات. وجد الباحثون أن تغيير زاوية التباعد على فوهة لافال لم يكن له أي تأثير على درجة الحرارة أو الضغط قبل حدوث الصدمة. ومع ذلك، من خلال اختيار ميل قدره ، تمكنوا من تحقيق معامل استرداد ضغط قدره 0.88 مع فقدان طاقة ضئيل. علاوة على ذلك، ظل القيمة المثلى للجزء المتباعد ثابتة ضمن نطاق و ، بغض النظر عن درجة حرارة الغاز الأولية والضغط.

تعتبر فوهة فوق الصوتية مكونًا حيويًا في تصميم وتحسين الفواصل فوق الصوتية، حيث تلعب دورًا محوريًا في تسريع السوائل إلى سرعات فوق صوتية من خلال تحويل الضغط ودرجة الحرارة إلى طاقة حركية [66]. تقدم الفواصل فوق الصوتية، المصممة لفصل الغاز والسوائل في التدفقات متعددة المراحل، مزايا مميزة، بما في ذلك الوزن المنخفض، والحجم الأصغر، وزيادة الكفاءة، وانخفاض تكاليف الصيانة مقارنةً بالفواصل التقليدية [1].

يتطلب تصميم وتحسين فوهة فوق صوتية مصممة لفصل محدد مراعاة دقيقة لمجموعة متنوعة من العوامل، بما في ذلك ظروف المدخل والمخرج، وخصائص السوائل، وشكل الفوهة، وبنية موجة الصدمة، ومتطلبات الموثوقية [67]. تلعب اختيار وتحسين نوع الفوهة والهندسة دورًا حيويًا في تحقيق فصل فعال للجسيمات. تشمل التفاصيل الرئيسية في هذه العملية:

فوهة متقاربة-متباعدة (فوهة دي لافال) هي نوع فوهة مستخدم على نطاق واسع تتكون من قسم متقارب يتبعه قسم متباعد، مما يسرع التدفق إلى سرعات صوتية أو فوق صوتية. لتطبيقات التدفق من دون صوت إلى صوت، يمكن استخدام فوهة متقاربة أبسط. يؤثر شكل القسم المتقارب على سرعة التسارع والكفاءة، بينما يعد القسم المتباعد حاسمًا للحفاظ على التدفق فوق الصوتي ومنع موجات الصدمة. تشمل استراتيجيات التحسين تخصيص الفوهة لتحقيق رقم ماخ محدد عند المخرج، والتحكم في موجات الصدمة، وضبط زاوية التباعد، وتحسين أبعاد الحلق، وضمان توزيع التدفق بشكل موحد، ومراعاة خصائص الجسيمات. يعد مطابقة تصميم الفوهة مع خصائص السوائل، والكثافة، وحجم الجسيمات أمرًا أساسيًا لفصل فعال. يعد تحقيق توازن بين أبعاد الفوهة مع ظروف المدخل المتغيرة وخصائص الجسيمات أمرًا حيويًا للمرونة التشغيلية في تصميم الفواصل. يعد تحقيق رقم ماخ المطلوب ونسبة الضغط عند المخرج أمرًا بالغ الأهمية لفصل فعال، بينما يعد تجنب فصل التدفق، وتفاعل طبقة الحدود لموجة الصدمة، وعدم استقرار التدفق أمرًا أساسيًا للحفاظ على الأداء والموثوقية. يجب أخذ تأثيرات خصائص السوائل مثل القابلية للانضغاط، واللزوجة، والكثافة، وتغير الطور على سلوك التدفق وكفاءة الفصل في الاعتبار عند تصميم الفوهة. علاوة على ذلك، ساهمت المساهمات التاريخية في هذا المجال من قبل باحثين مثل أوسواتيتش [68] والدراسات الحديثة من قبل ويسلوزيل وزملائه [69،70] في تعزيز فهم مبادئ الفوهة فوق الصوتية.

تقدم الشكل 2 مخططًا لفوهة فوق صوتية حيث يدخل خليط الغاز الحامل للبخار إلى الفوهة مع درجات حرارة معروفة، وضغوط كلية، وضغوط جزئية للغاز القابل للتكثيف [71]. مع توسع الغاز وتبريده عبر الفوهة، تزداد نسبة التشبع الفائض ( ) بسرعة. عندما يتجاوز التشبع الفائض قيمة حرجة ( ) على مقياس زمني ميكروثاني، يحدث انتقال الطور. لقد لوحظ أنه عندما يحدث انتقال الطور في خليط الغاز، تكون درجات الحرارة والضغوط أعلى مقارنةً بتوسع نفس خليط الغاز بدون تكثيف، وهو ما يمكن أن يُعزى إلى التوسع الأيسنتروبي [72].

تنقسم فوهة دي لافال إلى ثلاثة أجزاء بناءً على سرعتها: الأقسام تحت الصوتية، والصوتية، وفوق الصوتية. بعد هذه الأقسام هي

جامع السائل والموزع. تتغير الخصائص الديناميكية الحرارية للفوهة على طول طولها المحوري، مما يجعل موضع الفوهة جانبًا مهمًا من المحاكاة. ومع ذلك، قد يكون لكل تصميم لفوهة هندسة مختلفة. غالبًا ما يتم تحديد هندسة الفوهة من خلال سلسلة من زوايا التباعد المتقاربة والمعادلات. من الأفضل نمذجة الفوهات من خلال إنشاء علاقة موضعية عالمية بحيث يمكن تطبيقها على فوهات ذات هندسات مختلفة [73].

في فوهة لافال، تخضع الأنواع القابلة للتكثيف للتسييل بسبب الانخفاض السريع في درجة الحرارة الذي يحدث أثناء توسع السائل إلى سرعات فوق صوتية. يمكن وصف خصائص التدفق باستخدام رقم ماخ (Ma)، وهو نسبة سرعة التدفق المحوري ( ) إلى خاصية سرعة الصوت (c) للسائل متعدد المراحل. يبدأ التدفق في البداية كأقل من صوتي ( ) في القسم المتقارب لفوهة لافال، حيث يتناقص مقطع الفوهة باستمرار. مع اقتراب التدفق من حلق الفوهة، يصل إلى سرعة الصوت ( )، ويكون المقطع العرضي للفوهة في أدنى مستوى له. تُعرف هذه النقطة بأنها أقصى تضييق. بعد الحلق، يتوسع التدفق بسرعة في القسم المتباعد لفوهة لافال، مما يؤدي إلى زيادة المقطع العرضي للفوهة. في هذا القسم، يصبح التدفق فوق صوتي ( ) ويتسارع إلى سرعات عالية جدًا.

يمكن أن يتعرض القسم المتباعد لفوهة لافال لصدمة عادية غير قابلة للعكس في انتقال أديباتي، وهو ظاهرة غير مستقرة، عندما يمر التدفق فوق الصوتي من خلالها. في هذه الحالة، يخضع التدفق فوق الصوتي لتحول إلى تدفق تحت صوتي، مما يؤدي إلى زيادة في الإنتروبيا، والضغط، ودرجة الحرارة مع الحفاظ على نفس الطاقة، والزخم، ومعدل تدفق الكتلة. لمنع فقدان الفصل بسبب إعادة التبخر، من الضروري جمع المكثف لافال upstream من الصدمة. بمجرد حدوث الصدمة، يستعيد التدفق تحت الصوتي درجة حرارته وضغطه ويستمر عبر مخرج SS.

في عملية SS، تؤدي إزالة المكثف من التدفق فوق الصوتي إلى انتقال غير قابل للعكس يعرف بصدمة SS. يكون ضغط المخرج دائمًا أقل من ضغط المدخل، حتى خلال خطوات الضغط أو التوسع الأيسنتروبي. تمثل الحالة الحالية في SS من خلال SS الديناميكية الحرارية، كما وصفها دي ميديروس وآخرون [74]، ونموذج ديناميكا السوائل الحسابية (CFD) الذي طوره وين وآخرون [4]. وقد وسع يانغ وآخرون [75] هذه الدراسات باستخدام نفس تصميم الفوهة، مما يمثل الحالة الحالية في أدبيات SS.

فاصل دوار فوق صوتي يقدم العديد من المزايا. يعمل بدون أي أجزاء ديناميكية أو إضافات كيميائية أو تدخل بشري [76]. بالإضافة إلى ذلك، فإن سرعة تدفق الجهاز العالية تقلل من التلوث أو ترسيب المواد الصلبة، مما يلغي الحاجة إلى وحدات التبريد بالنيتروجين السائل. التأثير الطبيعي للتبريد في الجهاز يسمح له بالوصول إلى درجات حرارة تصل إلى . علاوة على ذلك، يمكن استخدام هذا الجهاز في بيئات متنوعة، بما في ذلك التطبيقات البرية والبحرية والعميقة [77].

هناك ثلاثة أنواع عامة من أساليب البحث [78]: طرق إعداد التجارب، الطرق الديناميكية الحرارية، والديناميكا الهوائية الحاسوبية (CFD). لقد تناولت العديد من الدراسات الأكاديمية هذه المواضيع الثلاثة المتعلقة بالفصل فوق الصوتي للغاز الطبيعي، مستكشفة إعدادات التجارب والجوانب الديناميكية الحرارية، واستخدام CFD للنمذجة. كل نهج يساهم في تقديم رؤى قيمة ويوفر فهماً شاملاً للظاهرة. في هذا القسم، نقوم بتقييم نقدي ونستخلص استنتاجات من النتائج التجريبية، مقدّمين نظرة شاملة على تقدم أبحاث الفاصل فوق الصوتي.

من خلال دراسة تأثير قنوات الارتجاع، وهياكل الصرف، وظروف التشغيل على أداء الفصل، وجدت إحدى الدراسات أن استخدام مواد ذات خشونة منخفضة وزيادة نسب الضغط حسنت التوافق بين المحاكاة التجريبية والعددية. ومن الجدير بالذكر أن قنوات الارتجاع عززت مجالات التدفق وأداء الفصل. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد هياكل صرف أسطوانية مبتكرة كفعالة في التخفيف من التفاعل بين موجات الصدمة والطبقات الحدودية. وقد ساعد ذلك في تحقيق توازن أفضل في مجال درجة الحرارة في الفوهة [79].

دراسة أخرى تناولت أداء إزالة الرطوبة لفاصل فوق صوتي متكامل. من خلال تحليل تأثير معامل استرداد الضغط على انخفاض نقطة الندى وقوة الدوران على معدلات تدفق الكتلة، تم الاستنتاج أن الفاصل المصمم أظهر قدرة عالية على التكيف مع معدلات تدفق الكتلة المتغيرة وأظهر كفاءة في إزالة رطوبة الغاز الطبيعي. يتماشى هذا مع الفكرة الأوسع التي تفيد بأن الفواصل فوق الصوتية تتفوق في إزالة رطوبة الغاز الطبيعي وإزالة الهيدروكربونات الثقيلة [80].

تم تصميم فاصل فوق صوتي مع شفرات مائلة عند المدخل ومثبت دوار بالإضافة إلى فوهة في دراسة أخرى. تدعم هذه الأبحاث فكرة أن الفواصل فوق الصوتية فعالة في إزالة ترطيب الغاز الطبيعي والهيدروكربونات الثقيلة [81].

من خلال دراسة مسارات الجسيمات وكفاءة الفصل لجهاز معين، استخدمت دراسة تجريبية طريقة الجسيمات المنفصلة. أبرزت الدراسة أهمية فوهة حلقية مقترحة، محققة مجال تدفق دوار قوي يسهم في كفاءة الفصل فوق . إن التوافق بين النتائج العددية والمخبرية يبرز دقة واستقرار طريقة الجسيمات المنفصلة في تقييم خصائص إزالة الرطوبة [21].

في دراسة شاملة ثلاثية الأبعاد عددية وتجريبية لسلوك الهواء الهيدروديناميكي في الفواصل فوق الصوتية، تم الكشف عن رؤى حول مواقع موجات الصدمة. أظهرت الدراسة أن تحسين أداء إزالة الرطوبة يمكن تحقيقه من خلال التلاعب بمعلمات المدخل والمخرج، مثل زيادة ضغط المدخل، وتقليل درجة حرارة المدخل، وزيادة رطوبة الهواء [15].

استكشفت دراسة أخرى تكثف بخار الماء والإيثانول باستخدام كميات متغيرة من النيتروجين. تناولت التحقيق تأثير ضغط الغاز الحامل على بدء التكثف، مقدمة معلومات قيمة حول دور الضغط في عمليات التكثف داخل الفواصل فوق الصوتية [82].

في نهج مبتكر، خلصت دراسة تجريبية إلى أنه يمكن تحسين كفاءة فاصل الإعصار بشكل كبير من خلال دمج مكونات محددة. حقق التصميم المحسن، الذي يتميز بعنصر تدفق ثابت، وعنصر مطحنة ورقية، وعنصر لوحة قابلة للطي، كفاءة فصل تتجاوز 95%. تحمل هذه النتيجة أهمية في تعزيز كفاءة وقابلية تطبيق فواصل الغاز-السائل، خاصة في ظل ظروف تدفق صغيرة صعبة [83]. دراسة تجريبية أخرى
استكشفت النواة المتجانسة لثاني أكسيد الكربون من خلال فوهات فوق صوتية. استكشفت عمليات النواة، وتوزيع حجم الجسيمات، وكثافة عدد الهباء باستخدام مجموعة متنوعة من الطرق التجريبية للحصول على فهم أعمق للعمليات الأساسية في الفواصل فوق الصوتية [25].

أدى التحقيق العملي في أشكال فوهات مختلفة إلى تحديد شكل فوهة مثالي لفصل الجسيمات. أدت عدة أشكال إلى أداء أفضل من غيرها عند نسب ضغط معينة، بما في ذلك الشكل الثلاثي، بينما كان الشكل المخروطي أفضل أداء عند نسب ضغط منخفضة. استنادًا إلى هذا البحث [84]، تم تقديم إرشادات عملية لاختيار أشكال الفوهات التي تعظم فصل الجسيمات واسترداد الضغط. باختصار، تساهم هذه الدراسات مجتمعة في تقديم رؤى قيمة حول الفواصل فوق الصوتية، تشمل التحسينات الهيكلية، وأداء إزالة الرطوبة، وعمليات التكثف، وأشكال الفوهات. تعزز هذه النتائج مجتمعة من فهم تكنولوجيا الفواصل فوق الصوتية، مقدمة أساسًا لمزيد من الابتكارات في تنقية الغاز الطبيعي والتطبيقات ذات الصلة.

في الأنظمة المعقدة، مثل الفصل فوق الصوتي، حيث يتم فصل خليط الغازات عند ضغوط وسرعات عالية، تكون المحاكاة مفيدة للغاية. ومع ذلك، هناك أساليب محاكاة مختلفة، لكل منها مزاياها وعيوبها [78]. إليك نظرة عامة موجزة عن بعض أساليب المحاكاة الشائعة ومزاياها وعيوبها:

نموذج ديناميكي حراري يصف سلوك نظام باستخدام مبادئ الديناميكا الحرارية، بما في ذلك درجة الحرارة، والضغط، والكثافة، والتركيب. يركز البحث الديناميكي الحراري على تبسيط سلوك التدفق، والنواة، والهيدروديناميكا لتصوير الديناميكا الحرارية بدقة. مع تعقيد معادلات التدفق متعدد الأطوار، تتطلب هذه النماذج حسابات أكثر دقة لفهم توازن الطور. نموذج الديناميكا الحرارية بسيط نسبيًا وسريع التنفيذ، ويمكن أن يوفر رؤى حول الجدوى الديناميكية الحرارية وكفاءة عملية الفصل [85]؛ ومع ذلك، فإن النماذج الديناميكية الحرارية لا تأخذ في الاعتبار الديناميكا الهوائية وظواهر النقل في النظام، مثل الاضطراب، وموجات الصدمة، والانتشار، وانتقال الحرارة. لذلك، قد لا تكون النماذج الديناميكية الحرارية دقيقة بما يكفي لالتقاط الأداء والتصميم التفصيلي للنظام [86]. تدمج تكنولوجيا الفصل فوق الصوتي مبادئ الديناميكا الهوائية، والديناميكا الحرارية، والديناميكا الهوائية لتحقيق عملية معالجة الغاز الرائدة [4]. تدمج تكنولوجيا الفصل فوق الصوتي مبادئ الديناميكا الهوائية، والديناميكا الحرارية، والديناميكا الهوائية لتحقيق عملية معالجة الغاز الرائدة [87]. طور كاستيير [88] طريقة محاكاة عددية باستخدام معادلات بنغ-روبنسون لنمذجة الفواصل فوق الصوتية. تركز هذه الطريقة على تحديد المعلمات الديناميكية الحرارية للفوهة المتباينة-المتقاربة، بما في ذلك سرعة الصوت وظروف توازن الطور للأنظمة متعددة الأطوار غير المثالية. بينما لا توفر هذه الطريقة ملفات تعريف معلمات ثنائية أو ثلاثية الأبعاد مفصلة مثل نماذج CFD، فإنها تنتج نتائج موثوقة تتعلق بموقع موجة الصدمة، وسلوك الطور، والخصائص أحادية البعد.

من ناحية أخرى، تركز دراسة الديناميكا الهوائية الحسابية (CFD) على نمذجة الديناميات الهيدروليكية متعددة الأبعاد بدقة أكبر، ولكن غالبًا على حساب تبسيط الديناميكا الحرارية. تُستخدم الطرق العددية لمحاكاة تدفق وسلوك الحرارة في النظام لحل معادلات نافير-ستوكس وغيرها من المعادلات التي تحكم ميكانيكا السوائل وانتقال الحرارة. يمكن أن توفر نماذج CFD معلومات مفصلة حول التوزيع المكاني والزمني لمتغيرات خليط الغاز، مثل السرعة، والضغط، ودرجة الحرارة، والتركيز [43]. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لنماذج CFD محاكاة الموجات الصدمية، والاضطراب، والتفاعلات الكيميائية، والانتقالات الطورية في النظام [89]. استخدم وين وآخرون [20] المحاكاة العددية للتحقيق في توزيع معلمات مثل درجة الحرارة الثابتة والسرعة المماسية في الفواصل فوق الصوتية. وأبرزوا عدم التجانس الكبير في التوزيعات الشعاعية لخصائص الغاز الديناميكية، مما يؤثر على عملية الفصل.
كفاءة المكونات. استنادًا إلى قانون حفظ الزخم الزاوي، قاموا بتصميم فاصل دوار بالموجات فوق الصوتية. كشفت تحليلاتهم لحقول تدفق الغاز الطبيعي مع وجود موجة صدمية أن درجة الحرارة المنخفضة، والحقل الطرد المركزي العالي، وسرعة الفوهة فوق الصوتية تفصل بشكل فعال الماء والهيدروكربونات الثقيلة عن الغاز الطبيعي. تحدد موضع الموجة الصدمية توزيع درجة الحرارة، مما يؤثر على إعادة تبخر وفصل قطرات السائل. إذا حدثت موجة صدمية في جزء الفصل، فإنها تولد درجة حرارة عالية تؤدي إلى إعادة تبخر القطرات، مما يعيق عملية فصل الغاز والسائل.

تسلط هذه الدراسات الضوء على أهمية دمج عوامل مختلفة مثل تأثيرات الطبقة اللزجة، ظواهر التكثف، والدوران في نمذجة وفهم سلوك التدفقات ذات الطورين وأداء الفوهات في الفواصل فوق الصوتية. توفر المحاكاة العددية فهماً قيماً للديناميات المعقدة لمثل هذه الأنظمة، مما يساعد الباحثين في تحسين الأداء من خلال تصميم وتشغيل مثاليين. تكمن المشكلة في أن نماذج الديناميكا الهوائية الحسابية تتطلب موارد حسابية كبيرة ووقتاً للتنفيذ. علاوة على ذلك، تعتمد دقة نماذج الديناميكا الهوائية الحسابية على الطرق العددية، دقة الشبكة، شروط الحدود، والشروط الأولية. لذلك، قد لا تكون نماذج الديناميكا الهوائية الحسابية قابلة للتطبيق أو موثوقة لمحاكاة على نطاق واسع أو على المدى الطويل.

تجمع النماذج الهجينة بين أنواع مختلفة من النماذج لإنشاء محاكاة أكثر شمولاً وكفاءة للنظام. يمكن للنماذج الهجينة محاكاة سلوك التدفق ودرجة الحرارة لنظام ما باستخدام نموذج ديناميكي حراري متعمق ونموذج ديناميكا الموائع الحسابية متعمق، على سبيل المثال المرجع [90]. من خلال دمج نقاط القوة والقيود لكل نوع من أنواع النماذج، يمكن للنماذج الهجينة أن توفر توازنًا بين الدقة وتكلفة الحساب. ومع ذلك، فإن تطوير والتحقق من صحة النماذج الهجينة يمكن أن يكون أكثر تعقيدًا ويستغرق وقتًا طويلاً، مما يتطلب فهمًا جيدًا ودمجًا بين الأنواع المختلفة من النماذج. بسبب ذلك، قد لا تكون النماذج الهجينة متاحة أو قابلة للتطبيق على جميع الأنظمة والسيناريوهات.

تعتمد استراتيجيات النمذجة المثلى لفصل فوق الصوتي على أهداف المحاكاة والقيود. قد يبرر هدف تقييم الجدوى الديناميكية الحرارية وكفاءة عملية الفصل استخدام نموذج ديناميكي حراري. يمكن تحقيق تصميم وتشغيل مثالي للنظام من خلال نمذجة الديناميكا السائلة. قد يجعل وجود كلا الهدفين نموذجًا هجينًا الخيار الأفضل. كما أن اختيار استراتيجية النمذجة يتأثر أيضًا بتوافر النموذج، والموارد الحاسوبية والوقت، بالإضافة إلى دقة النتائج وموثوقيتها. وبالتالي، تختلف استراتيجيات النمذجة المثلى من حالة إلى أخرى، وقد تحتاج عوامل مختلفة إلى أخذها في الاعتبار.

على مدى العقدين الماضيين، تم استخدام الديناميكا الحرارية والديناميكا الهوائية الحاسوبية بشكل واسع لدراسة فصل الغاز باستخدام الفوهات فوق الصوتية. ومع ذلك، لا تزال حلول الديناميكا الهوائية الحاسوبية غير متطورة وتكافح لالتقاط سلوكيات الانتقال المعقدة والتغيرات التي تحدث عند السرعات فوق الصوتية. ويرجع ذلك إلى التغيرات في كثافة السوائل والضغط الأيزوحراري. تنشأ هذه الصعوبات من التغيرات في كثافة السوائل والضغط الأيزوحراري. على الرغم من هذه التحديات، تظل الديناميكا الهوائية الحاسوبية أداة أساسية، خاصة في معالجة القضايا التصميمية الحرجة مثل الحركة الدوامية وتفاعل ريش التدفق.

تطبيق النماذج المبسطة والظروف المثالية في دراسة الفواصل فوق الصوتية يوفر مزايا حسابية ولكنه يقدم عدة قيود. تسلط هذه المناقشة الضوء على القيود الرئيسية المرتبطة بهذه النماذج والظروف في سياق الفواصل فوق الصوتية.

تتحدى العمليات المعقدة للتوسع والانضغاط عالي السرعة في الفواصل فوق الصوتية كفاية المحاكاة أحادية البعد (1D) [92]. لمعالجة ذلك، يتجه الباحثون إلى المحاكاة ثنائية الأبعاد (2D) وثلاثية الأبعاد (3D)، معترفين بأن عوامل مثل هندسة الفاصل، وخصائص السوائل، وظروف التشغيل
تؤثر بشكل معقد على التدفقات دون الصوتية، والتدفقات العابرة للصوت، والتدفقات فوق الصوتية. قد تفشل الهندسات المبسطة في تمثيل تعقيدات الفاصل فوق الصوتي بدقة، مما يؤدي إلى توقعات غير دقيقة لأنماط التدفق، وتفاعلات موجات الصدمة، وسلوكيات الانفصال.

غالبًا ما تفترض النماذج المبسطة ظروف الحالة المستقرة، متجاهلة التأثيرات العابرة. بينما كانت تمدد النماذج أحادية الأبعاد لتشمل الانفصال فوق الصوتي في حالة الاستقرار مع تيارات جانبية، استكشف كاستييه [92] تأثير التيارات الإضافية على ديناميات الفوهة. في الواقع، يمكن أن تظهر التدفقات فوق الصوتية سلوكيات غير مستقرة، مما يتحدى صحة افتراض ظروف الحالة المستقرة. غالبًا ما تفترض الظروف المثالية سلوكًا متساوي الحرارة، متجاهلة التغيرات في درجة الحرارة. عادةً ما تتضمن التدفقات فوق الصوتية تغييرات كبيرة في درجة الحرارة، ويمكن أن يؤدي تجاهل هذه التأثيرات إلى عدم الدقة، خاصة في التنبؤ بخصائص موجات الصدمة.

يمكن أن تحتوي التدفقات فوق الصوتية على تغييرات في الطور، مثل التبخر أو التكثف، التي تؤثر على ديناميات الانفصال [93،94]. ومع ذلك، قد تفترض بعض النماذج المبسطة والظروف المثالية أن التدفق هو أحادي الطور، مما يعني أن التدفق يتكون من طور واحد فقط، إما غاز أو سائل. قد يتجاهل هذا التفاعلات متعددة الأطوار التي تحدث في التدفق. لأخذ التفاعلات متعددة الأطوار في الاعتبار، يستخدم بعض الباحثين نموذج أويلر-أويلر، الذي يقوم بنمذجة الأطوار الغازية والسائلة كاستمراريتين متداخلتين، أو نموذج أويلر-لاجرانج، الذي يقوم بنمذجة الطور الغازي كاستمرارية وقطرات السائل كجسيمات منفصلة، كما هو موضح في الشكل 3. على سبيل المثال، استخدم ماتسيو وآخرون [95] نموذج أويلر-أويلر ثنائي الأبعاد مع تأثيرات لزجة لمحاكاة سلوك التدفقات ثنائية الطور في الفواصل فوق الصوتية. لقد اعتبروا التفاعل بين الأطوار الغازية والسائلة وتأثيرات اللزوجة. بالمقابل، تستخدم بعض دراسات الديناميكا الحسابية نموذج أويلر-لاجرانج لتتبع سلوك القطرات في النظام [41]. ومع ذلك، لتبسيط عملية النمذجة وتقليل التكلفة الحاسوبية، تستخدم بعض الدراسات سائل عمل أبسط بدلاً من الغاز الطبيعي، الذي يحتوي على مكونات متعددة. على سبيل المثال، تستخدم بعض دراسات الديناميكا الحسابية الهواء النقي أو الميثان أو الماء أو مزيجًا من هذه المواد كسائل عمل [32،96]. قد يحد هذا من قابلية تطبيق النتائج على السيناريوهات الواقعية.

غالبًا ما تبسط النماذج المبسطة أو تحد من شروط الحدود، متجاهلة تأثير خشونة السطح، والاضطرابات الخارجية، وظروف المدخل. قام سالكايف وغونميروف [97] بدراسة تأثير درجة حرارة المدخل، والضغط، والتركيب، وانخفاض الضغط على تدفق فاصل الغاز فوق الصوتي، مؤكدين على أهمية مراعاة عوامل مختلفة في شروط الحدود. تفترض العديد من المحاكاة سلوك الغاز المثالي، متجاهلة تأثيرات القابلية للانضغاط. درس جاسم وآخرون [28] تأثير تدفق الغاز الفعلي وشكل الفوهة على الغاز الطبيعي عالي الضغط، مسلطين الضوء على عدم الدقة في توقع مجالات التدفق بسبب افتراضات الغاز المثالي. وُجد أن تصميم الفوهة يؤثر على مواقع موجات الصدمة، مما يبرز الحاجة إلى مراعاة سلوك الغاز الفعلي. ركز سيمبسون ووايت [98] على ظواهر التكثف في الفوهات لكن اعترفوا بأن النماذج المبسطة قد لا تلتقط بدقة تأثيرات الاضطراب. يمكن أن يؤدي تجاهل الاضطراب في التدفقات فوق الصوتية إلى توقعات غير دقيقة للخلط والانفصال، مما يبرز أهمية أخذ سلوك الاضطراب في الاعتبار.

في السعي للحصول على رؤى حول سلوك السوائل متعددة الأطوار داخل الفواصل فوق الصوتية، يجب على الباحثين التنقل عبر التعقيدات المعنية في دراسات المحاكاة. القرارات المتخذة في اختيار السوائل العاملة، وهندسة الفوهة، وبرامج المحاكاة هي أمور حاسمة. الشكل 4 يقدم توضيحًا شاملاً، ويعمل كدليل قيم للباحثين طوال عملية المحاكاة [86]. على الرغم من أن النماذج المبسطة توفر كفاءة حسابية، فإن قيودها، مثل تجاهل الهندسة الواقعية، وافتراضات الحالة المستقرة، والسلوك المتساوي الحرارة، والتبسيطات ذات الطور الواحد، وشروط الحدود المحدودة، وافتراضات الغاز المثالي، تبرز صعوبة تمثيل الديناميات المعقدة للفواصل فوق الصوتية بدقة. يتطلب تصميم وتفسير دراسات المحاكاة في هذا المجال اعتبارًا دقيقًا لهذه القيود.

الشكل 3. تدفق ذو طورين وطريقة المحاكاة العددية [41] (إعادة طبع من دينغ وآخرون [41]، مقالة مفتوحة الوصول من إلسفير).

عند معالجة الغازات المضغوطة، يميل استخدام معادلات الحالة للغاز المثالي إلى إدخال أخطاء حسابية كبيرة، تتصاعد حتى مقارنةً بـ عند الضغط الجوي [99]. يتزايد انحراف خصائص الغاز الحقيقي عن قانون الغاز المثالي بشكل أسي مع الضغط ودرجة الحرارة، مع عرض تباين كبير بناءً على تركيبات الغاز. للتخفيف من هذا الانحراف، يتم إدخال عامل تصحيح يعرف باسم عامل قابلية انضغاط الغاز في معادلة الغاز المثالي [100]. تم اقتراح علاقات مختلفة لعامل قابلية انضغاط الغاز، معبرًا عنها من حيث الضغط المخفض الزائف أو درجة الحرارة المخفضة الزائفة، مثل علاقة هانكينسون-توماس-فيليبس [101] ومعادلة حالة هول-ياربورو [102]. في هذا الصدد، بحثت أرينيا [103] في سلوك كسائل فوق حرج في فوهة متقاربة-متباعدة باستخدام معادلات الحالة ريدليش-كوانغ، كارنهان-ستارلينغ-دي سانتيس، وفان دير فالس. أشارت نتائجهم إلى أن جميع معادلات الحالة الثلاث (EOS) قدمت توقعات دقيقة بشكل معقول لسلوك الغاز في تدفق السائل فوق الحرج عبر الفوهة.

معادلة SRKV (سوفي-ريدليش-كوانغ) معروفة بقدرتها على حساب السلوك غير المثالي للغازات الحقيقية تحت ظروف معينة [104]. بالإضافة إلى ذلك، للتنبؤ بدقة بالخصائص الديناميكية الحرارية للسوائل، فإن معادلة حالة السائل الحقيقي ضرورية، خاصة في ظروف الضغط العالي ودرجات الحرارة المنخفضة، مع مراعاة عوامل مثل سرعة الصوت الديناميكية الحرارية المتبقية، والإنثالبي المتبقي، والانتروبيا المتبقية. تلعب هذه العوامل الإضافية دورًا كبيرًا في التنبؤ بدقة بالخصائص الديناميكية الحرارية للسائل المدروس. استخدام معادلات الحالة التكعبية شائع لتقدير ضغط البخار، وضغط البخار الجزئي، وتوازن البخار-السائل، مما يوفر إطارًا مريحًا لتحليل سلوك السائل في أطوار مختلفة، كما يلي [28]:

حيث و هي الضغط، ودرجة الحرارة، والحجم، وثابت الغاز، على التوالي. و هي معلمات النموذج. تمثل عامل التماسك الذي هو دالة لعامل عدم المركزية ( )، ودرجة الحرارة، ودرجة الحرارة عند النقطة الحرجة .

لحساب سرعة الصوت الديناميكية الحرارية في سائل متعدد الأطوار داخل الفواصل فوق الصوتية، تم اقتراح طرق مختلفة. طور نيشيتا وآخرون [105]، وفيروزابادي وبان [106]، وكاستيير [107] طرقًا تأخذ في الاعتبار الأطوار المتعددة لتحديد سرعة الصوت في الأنظمة المعقدة. قدم سيكّي وآخرون [108] تقنية محددة للأطوار متعددة المكونات باستخدام معادلة حالة GERG (المجموعة الأوروبية للبحوث الغازية)، مما يتيح حساب
سرعة الصوت الديناميكية الحرارية في الأنظمة متعددة المكونات مع مراعاة التفاعلات بين المكونات المختلفة. يوفر NIST REFPROP ثلاث معادلات حالة لحسابات خلط الغاز: GERG-2008 [109]، AGA8 [110]، وPeng-Robinson [111]. على الرغم من توفر هذه الخيارات، تعتبر معادلة Peng-Robinson أقل دقة وغير موصى بها للاستخدام العام في REFPROP، بينما يتم التحذير من معادلة AGA8، خاصة في الطور السائل أو بالقرب من النقطة الحرجة. يشجع NIST REFPROP على استخدام معادلات حالة GERG الافتراضية الخاصة به، والتي، على الرغم من كونها أكثر تعقيدًا، تظهر عدم يقين أقل من معادلات GERG-2008 القياسية التي طورها كونز وواجنر [109].

تغطي معادلة حالة GERG-2008، وهي امتداد لـ GERG-2004 [112]، 21 مكونًا من الغاز الطبيعي، مما يوفر تطبيقًا واسعًا عبر نطاقات درجات الحرارة، والضغط، والتركيب، بما في ذلك الطور الغازي، والطور السائل، والمنطقة فوق الحرجة، وحالات توازن البخار-السائل. تعتبر معادلة حالة GERG-2008 صالحة على نطاق من وحتى 35 ميجا باسكال، مع نطاق ممتد من وحتى 70 ميجا باسكال. تمثل بدقة البيانات التجريبية الثنائية والمتعددة المكونات لكثافات الطور الغازي وكثافات الغاز الشبيهة بالحرجة، وسرعات الصوت، واختلافات الإنثالبي، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات تقنية متنوعة مثل نقل الغاز عبر الأنابيب، وتخزين الغاز الطبيعي، وعمليات الغاز الطبيعي المسال، وعمليات الفصل [99]. على الرغم من دقتها المشيدة، يتم الاعتراف بمناطق التحسين، مثل البيانات المحدودة المتاحة لتوازن البخار-السائل، خاصة لخلائط من و عند درجات حرارة منخفضة. لاستخدام معادلة حالة GERG-2008 للخلائط، يتم استخدام قواعد الخلط التالية:

في هذه العلاقات، و تمثل الكثافة الحرجة ودرجة الحرارة الحرجة للمكون ، بينما يتم ضبط المعلمات الثنائية الأربعة و بناءً على بيانات الخلط الثنائية [113].

مقارنةً بـ GERG-2008 مع معادلة حالة Peng-Robinson،
تشير الدراسات التي أجراها بالاداو وفيرنانديز [114] إلى نتائج متفوقة لـ GERG-2008 في حساب الضغط والكثافة لمختلف الخلطات، على الرغم من أنها تتطلب وقت حساب أطول بسبب الحسابات التكرارية للطورين البخاري والسائل في حساب توازن البخار-السائل. يتم التعبير عن معادلة حالة GERG-2008 في شكل مخفض بلا أبعاد، مع تضمين الطاقة الحرة هيلمهولتز لخلط الغاز المثالي، والطاقة الحرة المتبقية هيلمهولتز، ودوال الانحراف الثنائية المحددة والعامة. يتم تطبيق قواعد الخلط لتكييف معادلة حالة GERG-2008 مع الخلطات، مع مراعاة متلازمة ميشيلسن-كيستينماخر.

في السوائل التي تتوسع بسرعة، تصل بعض المناطق إلى التشبع بينما تظل الغالبية غير مشبعة. تكثف الغاز ليس عملية توازن بسيطة [115]. في تدفق الغاز الطبيعي عبر فاصل فوق صوتي، يحدث انتقال طور غير متوازن مع تدفق فوق صوتي وانتقال كتلة للغازات المتكثفة. بعد التوسع السريع للغاز الطبيعي في فوهة لافال، يحدث تكثف تلقائي بسبب كون الغاز مشبعًا بشكل زائد، مما يؤدي إلى تكوين نوى التكثف ونمو القطرات اللاحق.

تشمل عملية التكثف التلقائي في البيئات فوق الصوتية مرحلتين رئيسيتين: النوى ونمو القطرات [116،117]. توضح الشكل 5 النهج التشغيلي المستخدم في نموذج التكثف [71]، مما يوفر نظرة عامة على منهجية المحاكاة المستخدمة في دراسة هذه الظاهرة.

يعتبر التشبع الزائد مقياسًا لمدى انحراف خصائص السائل عن التوازن الديناميكي الحراري، والذي يتم تمثيله بخط التشبع. عندما يتدفق البخار عبر فوهة، يحدث تغيير في الطور، ينتقل البخار فوق الحرج إلى ماء تحت التبريد [118]. يتضمن هذا الانتقال الطوري تحلل سبينودال، مما ينتج بخارًا جافًا وماءً سائلًا من بخار رطب. كما يتضمن فصل الطور، الذي يحدث في المنطقة غير المستقرة الموضحة في الشكل 6. يحدث تحلل سبينودال عندما يدخل السائل منطقة سبينودال في مخطط الطور. في حالة البخار الرطب داخل المنطقة غير المستقرة، بين خطي البينودال والسبينودال، يحدث نوى متجانسة [119].

تشمل هذه الظاهرة تكوين قطرات صغيرة من البخار المشبع بشكل زائد. هذا يبدأ عملية التكثف و

الانتقال الطوري اللاحق من بخار فوق حرج إلى ماء تحت التبريد. يشكل قياس هذه العملية غير المتوازنة تحديات كبيرة، وتبقى تفسير الخصائص الديناميكية الحرارية غير المستقرة تحديًا كبيرًا. يعرفها برازكين [120] بأن الأطوار غير المستقرة هي حالات غير متوازنة من المادة ذات خصائص قابلة للعكس طوال التجربة. يمكن أن تحتوي المناطق غير المستقرة على مخططات الطور، الواقعة بين خط سبينودال وحدود الطور، على تقلبات محدودة يمكن أن تجعل الحل غير مستقر. إن هذا التقلب، المعروف باسم نواة، ومدى الطاقة المستهلكة في إنشاء مثل هذه النواة هو ما يحدد عدم استقرار الطور. تظهر الحسابات النظرية لهذه القيمة الطاقية انخفاضًا نحو الصفر بالقرب من خط سبينودال. في تحليل سلوك النظام الكلي، لم يجد كابلون ومشالكين [121] فرقًا جوهريًا بين الحالات المستقرة وغير المستقرة، باستثناء عمر محدود في الحالات غير المستقرة.

لقد درست العديد من الدراسات التكثف غير المتوازن في التدفقات عالية السرعة. أجرى جيرماثي [122] وداف [123] أبحاثًا حول التكثف داخل الفوهات فوق الصوتية، باستخدام بخار الماء والنيتروجين و . في هذه الدراسات، تم استخدام قياسات الضغط الثابت لتحديد بداية التكثف. تسبب التكثف في انخفاض الضغط في القسم المتقارب وزيادة في القسم المتباعد بسبب الطاقة المنبعثة أثناء التكثف. وقد أظهر داف [123] أن قياسات الضغط الثابت في يمكن استخدامها لاكتشاف التكثف عند محتوى الرطوبة. على الرغم من أن الدراسة كانت تفتقر إلى بيانات تجريبية لتكملة الحسابات العددية، اقترح بالتاجيف وآخرون [124] أن النتائج المختلطة قد تكون ممكنة بعيدًا عن النقطة الحرجة للغاز.

ترتبط دقة توقع تكثف بخار الماء في التدفقات فوق الصوتية مع صدمات بشكل معقد بنموذج معدل النوى التلقائي للغاز [125]. يحدد هذا النموذج معدل تكوين قطرات السائل من الطور الغازي المشبع بشكل زائد ويعتمد على الحالة الديناميكية الحرارية، وخصائص التدفق، وهندسة النظام. إن تعديل هذا النموذج لالتقاط عملية الانتقال الطوري بشكل أفضل لديه القدرة على تعزيز دقة التوقع بشكل كبير. عامل آخر محوري يؤثر على الدقة في محاكاة تفاعلات صدمات الموجات وعمليات تغيير الطور في التدفق فوق الصوتي هو اختيار الطريقة العددية
وشبكة الحسابات [126]. يجب أن تلتقط الطريقة العددية بمهارة هياكل صدمات الموجات، وفصل طبقة الحدود، وتشكيل الدوامات، وديناميات القطرات [127].

يمكن أن يكون استخدام مخططات التقاط الصدمات المتقدمة، مثل مخططات WENO (غير التذبذبية بشكل أساسي)، مفيدًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن ضمان أن تكون شبكة الحسابات دقيقة بما يكفي لحل ميزات التدفق وتوزيع حجم القطرات أمر ضروري. إن التحقق من المحاكاة العددية مقابل البيانات التجريبية أمر ضروري لتأسيس الدقة والموثوقية. يمثل نوع وتركيب خليط الغاز عاملًا ثالثًا مؤثرًا. يمكن أن تؤثر الغازات الطبيعية المختلفة بشكل متباين على تدفق السوائل والديناميكا الحرارية. على سبيل المثال، قد يخضع خليط للتكثف فوق الصوتي والانفصال الدوامي، مما يؤثر على كفاءة الفصل [126]. يتطلب الفهم الشامل محاكاة متعددة المكونات لدراسة تأثيرات التركيز لمكونات مختلفة على التدفق وتغيير الطور. إن التحقق التجريبي أو تحسينات المحاكاة في هذه المجالات ضرورية لتقدم فهم عمليات الفصل فوق الصوتية.

في التجارب، تم إثبات أن تكوين قطرات السائل لا يحدث تحت ظروف مشبعة أثناء التوسع السريع [124]. بدلاً من ذلك، تحت ظروف تحت التبريد، يتم تحفيز النوى داخل التدفقات عالية السرعة، متجاوزة الطاقة المحتملة. ثم يعود النظام إلى ظروف قريبة من التوازن من خلال التكثف التلقائي للسائل.

يتم تفضيل التكثف المدفوع بالنوى في البداية، مما يؤدي إلى إنشاء أول قطرات من الطور السائل [128]. ثم يتم التحكم في الانتقال الطوري اللاحق من خلال نمو القطرات فوق الحرجة، أو القطرات الأكبر من نصف القطر الحرج، المشار إليها بـ ، مما يثبط فعليًا النوى، ويعيد تأسيس التوازن.

خط ويلسون هو خاصية من بخار التكثف تعتمد بشكل كبير على معدل التوسع. تؤدي معدلات التوسع الأعلى إلى انزلاق أعمق في المنطقة غير المستقرة، مما يحول خط ويلسون نحو مناطق ذات تبريد أعلى [129]. تعتبر الفوهات فوق الصوتية مفضلة لدراسة هذه الظواهر حيث يمكن تغيير معدل التوسع والنوى عن طريق تغيير طول الفتحات مع الحفاظ على نفس نسبة الضغط.

يمكن أن يتم تحفيز حالات الغاز غير المتوازنة الديناميكية الحرارية من خلال تغييرات جذرية في درجة الحرارة والضغط [130]. لاستعادة التوازن الديناميكي الحراري، يجب أن تؤدي النوى داخل خليط الغاز إلى نمو قطرات بحجم قابل للاكتشاف. يمكن دراسة بداية النوى، والتبلور، وقياس نمو القطرات، وتحديد خط ويلسون أو خط سبينودال باستخدام نقل الضوء بالليزر والتشتت، مثل جهاز التداخل القصي [131،132].

النواة العفوية في تكثف تدفق الفوهة فوق الصوتية تعتمد بشكل كبير على التشبع الزائد. يحدد التشبع الزائد قدرة التدفق على تشكيل نوى جديدة. عندما يقترب التدفق من التشبع، لا تتكثف جزيئات البخار على الفور بسبب وجود حاجز الطاقة الحرة (مجموع طاقات الحجم والسطح، كما هو موضح في الشكل 7). بدلاً من ذلك، تستمر في التمدد كبخار فوق ساخن. ومع ذلك، عند درجة معينة من التشبع الزائد، يتم الوصول إلى نصف القطر الحرج، مما يتسبب في تشكيل عدد محدد مسبقًا من نوى التكثف بحجم معين في البخار. تؤدي درجات أعلى من التشبع الزائد إلى معدل أسرع لتشكيل النوى. ترتبط الطاقات الحركية الجوهرية والمتوسطة لجزيئات البخار باحتمالية حدوث النواة. يمكن وصف معدل تشكيل النواة بواسطة طاقة غيبس الحرة، التي لها أبعاد محددة.

تُشير المرحلة السائلة إلى الحرف السفلي بينما يتم تمثيل الطور الغازي بالرمز الفرعي يتم الإشارة إلى نصف قطر القطرة بـ هو نصف قطر القطرات، والتوتر السطحي بواسطة كثافة القطرات بواسطة درجة حرارة الغاز بواسطة نسبة التشبع الزائد بواسطة .

حساب الطاقة الحرة القصوى بالنسبة لنصف قطر القطرات يجعل من الممكن حساب نصف القطر الحرج في عملية النواة [138].

في هذه المعادلة، هو نصف القطر الحرج للتجمع. تتبخر القطرات التي يكون نصف قطرها أصغر من نصف القطر الحرج، بينما تنمو القطرات التي يكون نصف قطرها أكبر من نصف القطر الحرج [139]. من الممكن تقدير معدل التكثف والتشكل للبخار المتجمد باستخدام نصف القطر المطلوب. تشكل التدفقات ثنائية الطور قطرات بناءً على معدلات تشكلها تحت ظروف التشبع الزائد. يمكن حساب معدل التشكيل باستخدام المعادلة التالية [140]:

هناك تعبيرات وتصحيحات متنوعة لـ ودالة الأس في العلاقة (4). يُعرف كأساس لحساب معدل النواة الكلاسيكية (CNT):

يمثل كثافة البخار، وثابت بولتزمان بـ وكتلة الجزيء بواسطة في هذه المعادلة.

في مجال تقنيات فصل الغاز فوق الصوتية، فإن فك تعقيدات التكثف غير المتوازن، لا سيما في نطاق النانو، أمر بالغ الأهمية لتعزيز فهمنا لعمليات مثل النواة ونمو القطرات. تعتبر النواة، الخطوة الأولى في التكثف، مهمة في قياس عملية التكثف. وهذا أمر حاسم لتطبيقات مثل التحكم في التسييل [141]. ومع ذلك، على الرغم من الجهود التجريبية، فإن القياس الكمي لمعدل النواة لـ لا يزال يمثل تحديًا بسبب القيود والفجوات بين النتائج التجريبية والتنبؤات النظرية الكلاسيكية [25].

في السنوات الأخيرة، ظهرت محاكاة الديناميات الجزيئية (MD) كأداة قوية لسد الفجوة في فهمنا لعمليات النواة [142]. توفر هذه المحاكاة للباحثين رؤية مجهرية، مما يسمح لهم بمراقبة تطور الديناميات غير المتوازنة مع مرور الوقت [143]. لقد تم إجراء أبحاث كبيرة
مركز على نماذج [144] وسوائل لينارد-جونز [145] باستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية، ولكن هناك القليل من الأبحاث حول النواة [38،146]. فهم عملية النواة لـ يصبح أمرًا حاسمًا لتطبيق تقنية فصل الغاز فوق الصوتي في احتجاز الكربون وتخزينه (CCS). باستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية، يمكن حساب معدلات النواة باستخدام طرق مثل متوسط أوقات المرور الأولى أو العتبات. ومع ذلك، فإن النواة هي عملية عشوائية. تتطلب توقعات معدلات النواة إجراء عدة محاكاة مستقلة للديناميكا الجزيئية من أجل الحصول على رؤى شاملة.

تم إجراء أبحاث واسعة النطاق على الفواصل فوق الصوتية، التي تعد بإزالة من الغاز الطبيعي. ومع ذلك، لا يزال غير واضح ما إذا كانت نظرية النواة الكلاسيكية (CNT) قابلة للتطبيق على آليات التكثف في الغاز الطبيعي. باستخدام غاز المزيج، درست الدراسات الحديثة خصائص التكثف لـ في الغاز الطبيعي باستخدام محاكاة الديناميكا السائلة والمحاكاة الجزيئية [147]. كشفت الدراسة عن رؤى حاسمة في مسارات النواة والنمو على المستوى الجزيئي. يخلق فوهة لافال ظروفًا تسهل التسييل عند درجات حرارة منخفضة. يمكن تحسين ظروف التكثيف من خلال التحكم في درجة حرارة المدخل والضغط. كشفت محاكاة الديناميكا الجزيئية لمرحلة النواة عن تفاعل معقد بين تأثرت جزيئات الغاز، وإطلاق الحرارة الكامنة، واستقرار الكتل بالتفاعلات الطاقية مع الجزيئات المحيطة. كشفت الدراسة عن انحراف كبير بين نتائج نظرية الكربون النانوي ومحاكاة الديناميكا الجزيئية بمقدار أوامر، مما يبرز الحاجة إلى تصحيحات للنظرية الكلاسيكية.

في الختام، تُعتبر المحاكاة الجزيئية، وخاصة محاكاة الديناميكا الجزيئية، حجر الزاوية في فك تعقيدات التكثيف غير المتوازن في الفواصل فوق الصوتية على النانو. بالإضافة إلى توفير فهم ميكروسكوبي لعمليات النواة، تقدم هذه المحاكاة أيضًا مرجعًا نظريًا لتحسين تأثير الفصل. سنسهم بلا شك بشكل كبير في تقدم فصل الغاز فوق الصوتي وتطبيقاته في احتجاز الكربون وتخزينه، من خلال دمج نتائج متنوعة، وتصحيح النظريات الكلاسيكية، وتنقيح تقنيات المحاكاة.

خلال نمو القطرات الفعلي، تحيط العديد من الجزيئات بنوى التكثف [148]. مع تكثف جزيئات البخار على أسطح نوى التكثف، تستمر القطرات في النمو [149]. تطلق جزيئات البخار حرارة كامنة إلى الغاز المحيط، وهو آلية طبيعية لنقل الحرارة والكتلة. غالبًا ما يتم تجاهل سرعة الانزلاق بين البخار والسوائل نظرًا لأن قطرات السائل لها أقطار تشكيل صغيرة، في حدود النانومترات. رقم كنودسن هو نسبة المسار الحر المتوسط لجزيئات البخار إلى قطر القطره [5]:

تظهر هذه المعادلة التفاعل بين القطرات وجزيئات البخار؛ في المعادلة (6) يتم تعريف الطول الحر المتوسط لجزيء البخار (1) على أنه:

بقيمة متواضعة من وعندما يكون قطر القطرات كبيرًا، يمكن استخدام نموذج التدفق المستمر للحساب. يعني الرقم الكبير لـ Kn أن قطر القطرات أصغر من المسافة بين جزيئات البخار، لذا يمكن لنموذج التدفق الجزيئي الحر تحديد مجال التدفق.

يُعتقد أن التكثف يحدث فقط على سطح القطرات الموجودة بعد منطقة النواة. تم تطوير أحد نماذج نمو القطرات المستمرة بواسطة جيرماثي لمحاكاة التكثف المتجانس. في النموذج، يتم نقل الحرارة والكتلة، ويؤخذ تأثير الشعيرات في الاعتبار، وتنتشر جزيئات البخار من خلال الوسط المحيط. يتم كتابة توازن الطاقة لقطرة كما يلي:

تمثل السعات الحرارية النوعية في الطورين البخاري والسائل، على التوالي، و يمثل الموصلية الحرارية للبخار.

تظهر المعادلة (7) أن تكثف الجزيئات يمنح القطرة طاقة يمكن إما نقلها مرة أخرى إلى البخار أو زيادة درجة حرارتها [152]. في العديد من حسابات البخار الرطب، وبسبب صغر حجم القطيرات، يمكن تجاهل قصورها الحراري، لذا يتم تبسيط المعادلة (7) كما يلي:

قدمت جيرماسي علاقة بالشكل التالي لحساب درجة حرارة القطرات على الرغم من التغير في معامل التوتر السطحي والانثالبي للتبخر بين و :

أين هو درجة الحرارة المشبعة المرتبطة بالضغط البخاري. لا تتشكل قطرات جديدة بعد النواة، وتحدث التكثف فقط على أسطح القطرات الموجودة [153]. يتم تبادل الكتلة والطاقة بين البراعم والبيئة المحيطة بها، وتمتص البراعم الجزيئات. لقد درس مجموعة متنوعة من المحللين القطرات في معدل النمو حتى الآن. من خلال دمج العلاقتين (8 و(9)، يتم الحصول على التعبير التالي لمعدل نمو القطرات [154]:

في هذه المعادلة، هو الحرارة الكامنة للتبخر عند درجة الحرارة المشبعة المرتبطة بالضغط البخاري. هو أيضًا معامل الحمل الحراري بين قطرة وبيئتها (بخار) ويعبر عنه بالعلاقة التالية [155]:

enthalpy ( ) والكثافة ( ) للمزيج يتم حسابها باستخدام نسبة الرطوبة ( ) كما يلي [156]:

يمكن العثور على مزيد من التفاصيل حول معادلات التدفق الرطب في المرجع [155].
تطبيق شروط حدود الضغط عند مدخل ومخرج الفاصل فوق الصوتي، جنبًا إلى جنب مع شروط حدود عدم الانزلاق والحدود الأديباتية عند الجدران، هو ممارسة شائعة في المحاكاة العددية للفصل فوق الصوتي [157]. تساعد هذه الشروط الحدودية في تحديد سلوك السائل وضمان تمثيل دقيق للنظام.

تعتمد فعالية الفواصل فوق الصوتية على عوامل مختلفة، بما في ذلك درجة حرارة المدخل، الضغط، سرعة التدفق، وتركيزات الشوائب. تؤثر هذه المعلمات على ديناميات السوائل، الديناميكا الحرارية، الانتقالات الطورية، وتشكيل القطرات.

تتأثر كفاءة الفصل للفواصل فوق الصوتية بشكل ملحوظ بدرجة حرارة المدخل. تؤثر هذه المعلمة على الضغط ودرجة الحرارة المشبعة لمزيج الغاز، مما يحدد درجة التشبع الزائد وبداية التكثف. يمكن أن تؤجل درجة حرارة المدخل الأعلى التكثف، مما قد يقلل من كفاءة الفصل. يعتمد نطاق درجة حرارة المدخل المثالي على نوع مزيج الغاز، التركيب، الضغط التشغيلي، وتصميم الفاصل. من الجدير بالذكر أن فاصل فوق صوتي محسن مع مخروط تحويل هو
موصى به للعمل ضمن نطاق درجة الحرارة من [158]، على الرغم من أن هناك اختلافات قد توجد لفواصل مختلفة ومزيجات غازية.

يلعب ضغط المدخل دورًا محوريًا في تعديل الكثافة والسرعة لمزيج الغاز، مما يؤثر على التمدد وتشكيل موجات الصدمة في الفوهة [159]. قد يزيد ضغط المدخل المرتفع من نسبة التمدد، مما يعزز كفاءة الفصل. يعتمد نطاق ضغط المدخل المثالي على خصائص مزيج الغاز، الضغط التشغيلي، وتصميم الفاصل. بالنسبة لفاصل فوق صوتي محسن مع مخروط تحويل، فإن نطاق ضغط المدخل المقترح هو [158]. ومع ذلك، قد يختلف هذا النطاق لأنواع مختلفة من الفواصل فوق الصوتية ومزيجات الغاز.

سرعة التدفق هي معلمة حاسمة تؤثر بشكل كبير على كفاءة الفصل للفواصل فوق الصوتية. يلعب التفاعل بين سرعة التدفق، موجات الصدمة، مراوح التمدد، وميزات التدفق الأخرى دورًا حاسمًا في تحديد كفاءة الفصل. تكشف الأبحاث التي أجراها ليو ودينغ [159] أن زيادة عدد فتحات المدخل ونسبة مساحة الغاز-السائل تؤدي إلى انخفاض في كفاءة الفصل. كما أفاد سينفتر وآخرون [160] أن معدلات تدفق الحجم العالية عند المدخل تعزز فصل الجسيمات ولكنها تؤدي أيضًا إلى انخفاضات ضغط أعلى. تشير التسجيلات إلى كفاءات فصل تتراوح من إلى ، مصحوبة بتغيرات في انخفاض الضغط بين 0.218 بار و0.413 بار.

تؤدي سرعات التدفق الأعلى في الفواصل فوق الصوتية إلى توليد موجات صدمة أقوى وزيادة في الطاقة الحركية، مما قد يحسن كفاءة الفصل من خلال فصل الطور الفعال. يعد نطاق مثالي من سرعات التدفق أمرًا حيويًا للتشغيل الفعال، ويعتمد على تصميم الفاصل، خصائص السائل، وأهداف الفصل. يتطلب تفاعل موجات الصدمة مع تيار السائل تصميمًا دقيقًا للمكونات الحرجة مثل الفوهات والموزعات، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة الفصل العامة. يعد تحسين الهندسة العامة، بما في ذلك الأقسام المتباينة والمتقاربة، أمرًا ضروريًا لاستيعاب سرعات التدفق المرغوبة لفصل فعال. تقدم بعض الفواصل فوق الصوتية نطاقات تشغيل قابلة للتعديل لتلبية التغيرات في ظروف التدفق، مما يمكّن من تحسين التطبيقات المحددة وخصائص السوائل. ومع ذلك، قد توجد مقايضات بين سرعات التدفق الأعلى واعتبارات مثل استهلاك الطاقة، تآكل المعدات، والصيانة، مما يتطلب توازنًا دقيقًا.

مع الاعتراف بأن نطاق سرعة التدفق المثالي يختلف بناءً على التصميم المحدد، التطبيق المقصود، وخصائص المادة، يتم استخدام الدراسات التجريبية، المحاكاة العددية، واختبار النماذج الأولية بشكل شائع لتحديد أنسب ظروف التدفق لفاصل فوق صوتي معين.

يمكن استخدام تقنيات متنوعة لفصل الشوائب. يجب أخذ عدة عوامل في الاعتبار عند اختيار عملية تحلية معينة. تشمل هذه العوامل: أنواع الشوائب التي يجب إزالتها، مثل ، و ، تركيزات الغاز الحمضي عند مدخل ومخرج العملية، معدل تدفق الغاز، درجة الحرارة، ومعلمات الضغط، الاعتبارات البيئية ومتطلبات الامتثال، وتقييم الاقتصاد النسبي للعملية المختارة. كما هو موضح في الشكل 8، تشمل هذه التقنيات الامتصاص الكيميائي، الفيزيائي، أو الهجين، الامتزاز، فصل الأغشية، أو مزيج من ذلك [161].

مع تقنية فصل الأغشية [162]، يتم تمرير مكونات الغاز بشكل انتقائي من طرف إلى آخر من الغشاء. على جانب واحد من حاجز الغشاء، يحافظ ضغط جزئي كبير للمكونات الأساسية على تدرج تركيز [163]. تعتمد هذه العملية الجديدة بشكل كبير على مواد الغشاء. يجب أن تكون مادة الغشاء المناسبة ذات نفاذية عالية وانتقائية، بالإضافة إلى قوة ميكانيكية عالية وثبات كيميائي [164].

في سيناريو الغاز الطبيعي عالي الضغط (NG)، يخضع لعملية يتم فيها إدخاله إلى وحدة غشاء. داخل هذه الوحدة، يتم استخراج بخار الماء بشكل فعال من خلال الغشاء، مما يؤدي إلى بقاء غاز خالي من الرطوبة في المحتجز [165]. يتم بعد ذلك

إعادة ضغطه. بعد عزل المكثف، يتم دمجه مع تدفق الغاز الأولي لإكمال العملية. بالمقابل، عند التعامل مع الغاز الطبيعي منخفض الضغط، يخضع تدفق الغاز أولاً للضغط. بعد الضغط، يتم فصل الماء المكثف عن الغاز باستخدام فاصل. يتم بعد ذلك إدخال الغاز، الذي أصبح خاليًا من المكثف، إلى كتلة الغشاء. يتم بعد ذلك خلط النفاذ الذي تم الحصول عليه من كتلة الغشاء مع تدفق الغاز الأصلي لإنهاء العملية. يظهر مخطط لإزالة من الغاز الطبيعي باستخدام ملامسات غشاء عالية الضغط في الشكل 9 [166].

تعتمد تقنية الامتصاص على فكرة أن الغازات المختلفة تذوب بدرجات متفاوتة في السوائل [167،168]. قد تتضمن هذه الطريقة التفاعل الكيميائي الذي يحدث أثناء تنقية الغاز. يجب أن يمتلك المادة الممتصة، التي تعتبر حاسمة لعمليات الامتصاص، قدرات امتصاص عالية وثبات حراري. استخدام عملية تجفيف الغاز الطبيعي بواسطة ملامس سائل مجفف هو طريقة شائعة في صناعة الغاز. في هذه الطريقة، الموضحة في الشكل 10 [30]، يتعرض الغاز الرطب لمذيب جاف بمحتوى مائي ضئيل. يمتص السائل الماء من الغاز، مما يؤدي إلى تدفق سائل مركز وتدفق غاز مجفف. قبل إعادة تدويرها إلى العمود الأول لإزالة الماء من الغاز المدخل، يتم تجديد المذيب في عمود ثانٍ [169]. يعتبر الجلايكول ثلاثي الإيثيلين الأكثر استخدامًا في صناعة الغاز، يليه كلوريد الكالسيوم، جلايكول الإيثيلين، جلايكول ثنائي الإيثيلين، وجلايكول رباعي الإيثيلين. بسبب طبيعتها العالية من الهيدروسكوبية، وضغط البخار المنخفض، ونقاط الغليان العالية، وانخفاض الذوبان في الغاز الطبيعي، أظهرت الجلايكولات أنها أكثر المجففات السائلة كفاءة المستخدمة حاليًا [170]. بسبب قدرتها الممتازة على خفض نقطة الندى، وفعاليتها من حيث التكلفة، وموثوقيتها في التشغيل، تم قبول TEG على نطاق واسع كأكثر جلايكول اقتصادي. ومع ذلك، تواجه مجففات الجلايكول عدة مشاكل تشغيلية. يمكن أن تأتي الملوثات في محاليل الجلايكول من المواد الأجنبية المعلقة، بينما يمكن أن يحدث تكوين منتجات التحلل بسبب ارتفاع درجة حرارة المحاليل. يمكن أن يؤدي تكوين الرغوة في المحلول أيضًا إلى نقل السائل. أخيرًا، يتم معالجة القضايا البيئية المرتبطة بالانبعاثات الهاربة من خلال

الجهود المبذولة لتقليل تأثيرها. بالإضافة إلى WDPA، يحتوي الغاز الطبيعي على سوائل (NGL) يتم إزالتها عادةً لتلبية مواصفات نقطة الندى الهيدروكربونية (HCDPA). في الغالبية العظمى من الحالات، يكون لـ NGL قيمة أكبر كمنتجات منفصلة، وتعتبر المعالجة بالتبريد، على الرغم من كونها بديلًا مكلفًا، هي الطريقة المفضلة لفصل NGL. تعتبر نقطة الندى الهيدروكربونية للغاز الطبيعي ذات أهمية تشغيلية، وHCDPA هو معيار جودة لمبيعات الغاز. تؤدي عملية استخراج NGL إلى انخفاض في قيمة التسخين لمنتج الغاز، مما يمكن أن يقلل من قيمته السوقية. عادةً ما يتم تلبية مواصفات HCDPA من خلال الفصل عند درجات حرارة منخفضة.

الامتصاص هو نوع من نقل الكتلة على الأسطح الصلبة [171]. الجذب الجزيئي أو الترابط الكيميائي هو المسؤول عن امتصاص جزيئات الغاز على الأسطح الصلبة المسامية. يمكن استخدام عمليات كيميائية أو فيزيائية، اعتمادًا على قوى السطح، لتحقيق تركيز منخفض جدًا. الألومينا المنشطة، هلام السيليكا، ومصفاة جزيئية هي مواد ممتصة صلبة شائعة في صناعة الغاز. تعتمد عملية امتصاص جزيئات الماء على ضغط الغاز ودرجة الحرارة، حيث يعزز الضغط الأعلى الامتصاص، بينما يقلل الضغط الأعلى منه. يتم أخذ هذه العوامل بعين الاعتبار بعناية أثناء تصميم معلمات العملية. لضمان التشغيل المستمر، يتم استخدام حد أدنى من نظامين سريرين، حيث يتم تخصيص سرير واحد لتجفيف الغاز بينما يخضع الآخر للتجديد [30]. يتم تحقيق التجديد باستخدام الغاز المسخن مسبقًا أو جزء من الغاز الطبيعي المجفف، كما هو موضح في الشكل 11 [30].

أظهر العلماء أن الفواصل فوق الصوتية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من فواصل الغاز الطبيعي التقليدية [39]. بالمقارنة مع تقنيات التقاط ما بعد الاحتراق التقليدية، تقدم الفواصل فوق الصوتية عدة مزايا، بما في ذلك آلية بسيطة، وتصميم معدات بسيط، بدون أجزاء متحركة، وسهولة الصيانة، وعدم وجود انبعاثات [42]. يوضح الشكل 12 تكوين خط تجفيف فوق صوتي [61]. لقد ثبت أن فاصل فوق صوتي جديد مفيد في العديد من تطبيقات تكييف الغاز، مثل إزالة الرطوبة واستخراج الهيدروكربونات الثقيلة من الغازات الطبيعية.

تحتاج نقاط الندى للماء والهيدروكربونات الثقيلة إلى تصحيح من أجل النقل الصحيح والاقتصاد. بالإضافة إلى قدرتها على فصل ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين من الغاز الطبيعي، تقدم وحدات SS مرونة في تطبيقات متنوعة مثل إنتاج الغاز الطبيعي المسال (LNG)، وتوليد الهيدروجين، وترقية الغاز الحيوي، والتحكم في الانبعاثات الصناعية، وتعزيز العمليات في تكرير البتروكيماويات. تعتبر التبريد، والأغشية، والامتصاص، والامتزاز طرقًا تقليدية لتصحيح نقطة الندى للماء والهيدروكربونات [172]. عادةً ما تكلف هذه العمليات الكثير وتتطلب مرافق كبيرة، بما في ذلك أنظمة معقدة والكثير من المواد الكيميائية ذات التأثيرات الضارة على البيئة [44]. يمكن تنقية تدفقات الغاز الطبيعي باستخدام الفواصل فوق الصوتية عن طريق إزالة مجموعة متنوعة من الشوائب. إن عدم وجود أجزاء متحركة يجعلها موثوقة للغاية، تصل إلى [173]. بالمقارنة مع الفواصل التقليدية الأخرى، يمكن لوحدة SS قبول تدفق غاز أحادي الطور كمدخل. مع التمدد الأديباتي، يمكن أن تتشكل طورين أو أكثر عندما يتكثف الماء أو أنواع الهيدروكربونات الثقيلة عند درجات حرارة منخفضة. بعد استعادة الضغط بشكل صحيح، يمكن أن تؤدي هذه الظاهرة إلى فصل الطورين الغازي والسائل، وسيغادر تدفق غاز واحد وحدة SS.

بفضل هيكلها الأنبوب المدمج، فإن الفاصل فوق الصوتي مستقر للغاية، منخفض في المساحة والوزن، ويتكون من أجزاء غير دوارة. نظرًا لأن هذا النوع من الفواصل لا يتطلب أي مواد كيميائية لتفريغ التلوث، فإنه يعتبر صديقًا للبيئة

جهاز [174].

يتكون الفاصل فوق الصوتي من عدة مكونات رئيسية، بما في ذلك جهاز الدوران، فوهة دي لافال، فاصل دوامي، وامتداد الموزع. يتم إطلاق الغاز الطبيعي من خزانات عالية الضغط ومنخفضة السرعة. تؤدي درجة حرارته وضغطه المنخفضين إلى التمدد إلى سرعات فوق صوتية في فوهة لافال، مما يتسبب في انخفاض الغاز الطبيعي تحت نقطة الندى الخاصة به. تتكثف المواد غير المرغوب فيها إلى سائل ثم يتم فصلها بواسطة الطرد المركزي قبل جمعها في تدفقات منفصلة. تتشكل قطرات سائلة عندما يتجمع بخار الماء ومكون هيدروكربوني ثقيل. يفصل الدوامة السائل عن الغاز عن طريق الطرد المركزي لقطرات السائل على الجدار بينما يمر الغاز عبر الجهاز [47]. بعد استعادة ضغط الغاز الجاف في الموزع، يتم إرساله إلى خط النقل لمزيد من المعالجة [175].

تلعب الحرارة النوعية لغاز الحامل دورًا محوريًا في التأثير على خصائص التكثف [32]. بالإضافة إلى ذلك، مع زيادة ضغط السحب ودرجة الحرارة، يبدأ التكثف بالقرب من حلق الفوهة، مما يؤدي إلى انخفاض في معدل النواة وزيادة في رطوبة المخرج. تدفق الغاز الدوراني في المحور الأفقي للفاصل هو أبطأ مقارنة بتدفق غير دوار [176]. تتأثر كفاءة تنقية SS بدرجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق، حيث تؤدي درجات الحرارة المنخفضة وأرقام ماخ الأعلى لتدفق الغاز داخل وحدة 3 S إلى زيادة تكوين السائل [177].

تلعب إزالة الرطوبة دورًا حاسمًا في معالجة الغاز حيث تحمي الأنابيب من التآكل وتمنع تكوين الهيدرات. إن قدرة الغاز على حمل بخار الماء محدودة وتعتمد على درجة حرارته وضغطه. يمكن أن تتشكل الهيدرات على الماء الحر، ولها القدرة على تقليل سعة التدفق، وإعاقة كفاءة النقل، وحتى انسداد خطوط النقل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي وجود الماء في الغاز إلى فقدان في قيمة التسخين وتآكل الأنابيب. عندما تبدأ جزيئات الماء في المرحلة البخارية داخل الأنبوب في التكثف والتجمع، تتشكل بلورات هيدرات الميثان، مما يؤدي إلى تكوين جزيئات أكبر. عندما تتلامس هذه الجزيئات مع الغاز الطبيعي الذي يحتوي على و يمكن أن تسبب التآكل والتآكل. تنخفض درجة حرارة نقطة الندى للماء مع انخفاض درجة حرارة الهواء المحيط. تتمتع الهيدرات الغازية بمظهر مادي مشابه للثلج. تؤثر عدة متغيرات، بما في ذلك التركيب، ومحتوى الماء، ودرجة الحرارة، والضغط، على تبلور الهيدرات والمشاكل المرتبطة بها. لذلك، فإن تطوير طرق لمنع تكوين الهيدرات هو أمر في غاية الأهمية.

في صناعة الغاز، تتوفر تقنيات متنوعة لإزالة الرطوبة من الغاز، حيث تعتبر الامتصاص والتبريد المباشر من أبرز الطرق. يتضمن الامتصاص استخدام ثنائي الإيثيلين والجليكول في القسم المركزي لإزالة الماء من الغاز. في دراسة، قارن نيتوسيل وآخرون [179] بين ثلاث طرق شائعة الاستخدام لإزالة الرطوبة من الغاز الطبيعي: الامتزاز باستخدام مجففات صلبة، والامتصاص باستخدام ثلاثي الإيثيلين جليكول، والتكثيف. كانت المقارنات تستند إلى متطلبات الطاقة وملاءمة مصدر الطاقة. تحت ضغوط منخفضة (الغاز الطبيعي من UGS عند 13 ميجا باسكال)، بدا أن طريقة التكثيف هي الأكثر تطلبًا. مع انخفاض الضغط بشكل خطي، انخفض الطلب إلى 145 كيلو واط عند 13 ميجا باسكال. أظهرت النتائج أن التكثيف والامتزاز يتطلبان تقريبًا نفس كمية الطاقة. انخفض الطلب على الطاقة للتكثيف مع زيادة ضغط الغاز الطبيعي، ولكن مع ميل تنازلي عندما زاد ضغط الغاز الطبيعي من 13 ميجا باسكال إلى 16 ميجا باسكال. يعتبر الامتزاز باستخدام المنخل الجزيئي وامتصاص ثلاثي الإيثيلين جليكول (TEG) طرقًا تقليدية لإزالة الرطوبة من الغاز الطبيعي في منصات الحفر البحرية [179]. ومع ذلك، تتطلب هذه التقنيات لتكييف الغاز واستخراج سوائل الغاز الطبيعي استثمارات كبيرة في البنية التحتية وتنطوي على رأس مال وتشغيل كبيرين.

التكاليف. غالبًا ما تتضمن مكونات دوارة، وتتطلب عمليات بشرية معقدة، وتطرح مخاوف تتعلق بالسلامة، وتحتاج إلى جداول صيانة منتظمة. علاوة على ذلك، فإن المواد الكيميائية التقليدية المستخدمة كمثبطات هيدرات يمكن أن تكون خطرة على البيئة.

ابتكار واعد في مجال التكنولوجيا العالية هو استخدام تقنية الصوت فوق الصوتي لتطوير مكونات مستهدفة من الغاز الطبيعي. من خلال استخدام فوهة لافال المتقاربة والمتباعدة، يتم توليد تدفق فوق صوتي. تقنية فصل الدوامة فوق الصوتية هي طريقة ناشئة لتكثيف وفصل الهيدروكربونات الثقيلة والماء عن الغاز الطبيعي. بعد مقارنة عدة طرق لإزالة الماء من الغاز، بما في ذلك تقنية الفوهة فوق الصوتية مع غيرها، تم تحديد أن طريقة الفاصل فوق الصوتي تبرز كواحدة من أكثر الطرق فعالية في تجفيف الغاز الطبيعي بسبب مزاياها المميزة [181].

تؤثر معايير مثل نمو السكان، ومستويات الاقتصاد والتكنولوجيا، والسياسات الحكومية على قطاع الطاقة في البلاد. يعتمد المستقبل المستدام على كل من موارد الطاقة المستدامة، وأنظمة الطاقة الفعالة التي تستخدم هذه الموارد. لذلك، فإن تعزيز كفاءة أنظمة الطاقة أمر حيوي لتقليل استهلاك الطاقة. ولهذا الغرض، من الضروري فهم أنماط استخدام الطاقة مثل أنواع حوامل الطاقة المستخدمة، والعوامل التي تؤثر على استخدامها.

يحتوي الغاز الطبيعي على هيدروكربونات ثقيلة تحتاج إلى الإزالة لزيادة سعة حرارته، ومنع تآكل معدات التسييل، وتجنب التبلور أثناء عملية التسييل [182]. استكشف تيكسيرا وآخرون [183] نهجًا جديدًا يستخدم الفواصل فوق الصوتية لاستعادة مثبطات الهيدرات الديناميكية الحرارية من الغاز الطبيعي الخام مع تقليل خسائر المثبط، بالإضافة إلى إجراء HCDPA و WDPA على الغاز. يؤدي الفشل في فصل الهيدروكربونات الثقيلة عن الغاز الطبيعي إلى زيادة سعة تدفق الأنابيب وتحديات كبيرة، بما في ذلك الحاجة إلى أقطار أنابيب أكبر، وتوسيع مرافق العمليات، وزيادة متطلبات الطاقة، وتصاعد كبير في التكاليف.

تتوفر عدة طرق لفصل الهيدروكربونات الثقيلة، بما في ذلك عمليات التبريد، وعمليات الامتصاص، والعمليات الكريوجينية، والامتصاص السطحي، وفصل الأغشية، والفواصل فوق الصوتية. من بين هذه الطرق، اكتسب الفاصل فوق الصوتي شعبية بسبب بساطته وموثوقيته وسلامته وتكاليف التركيب والتعامل المنخفضة، وانخفاض الضغط الأدنى، وملاءمته للعمليات الساحلية والبحرية وتحت الماء.

تتطلب خطورة أزمة المناخ اتخاذ إجراءات فورية لمعالجة انبعاثات الكربون. بينما لم يتم بعد تحديد النطاق الكامل للأزمة
من المعروف أنه من الواضح أن الانبعاثات المستمرة ستؤدي إلى عواقب وخيمة. من الضروري السعي نحو حلول قصيرة إلى متوسطة الأجل للمساعدة في التعافي بينما يتم تطوير استراتيجيات مستدامة لتحقيق فوائد على المدى الطويل. تعتبر قطاعات البناء والنقل والصناعة هي المصادر الرئيسية لانبعاثات الكربون العالمية. توضح الشكل 13 خارطة طريق سياسة الطاقة المصممة لتحقيق الحياد الكربوني بحلول عام 2050.

تشمل خارطة الطريق عدة عناصر رئيسية: I) الدعم المالي للطاقة المتجددة: تشجيع اعتماد واستخدام مصادر الطاقة المتجددة من خلال الحوافز والدعم المالي. II) تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية: تعزيز تطوير ونشر تقنيات تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية لتقليل الاعتماد على أنظمة الطاقة المعتمدة على الوقود الأحفوري. III) المباني منخفضة الطاقة: تنفيذ تدابير لبناء وتجديد المباني بتصاميم وتقنيات موفرة للطاقة، بهدف تقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون. IV) الصناعات منخفضة الكربون: تشجيع الصناعات على اعتماد ممارسات وتقنيات وعمليات أنظف وأكثر استدامة لتقليل بصمتها الكربونية. V) التقاط الكربون واستخدامه وتخزينه: الاستثمار في وتنفيذ تقنيات تلتقط وتخزن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لمنع إطلاقها في الغلاف الجوي، واستكشاف طرق لاستخدام الكربون الملتقط من أجل

أغراض متنوعة. VI) تجارة الكربون: إنشاء آليات لتداول ائتمانات أو تصاريح الكربون لتحفيز تخفيض الانبعاثات وتسهيل الانتقال إلى اقتصاد منخفض الكربون.

يبحث الباحثون حاليًا في كيفية تقليل الأثر الناتج عن الإنسان الانبعاثات من خلال التقاطها ونقلها وتخزينها [186]. الفكرة الأساسية لتقنية احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) تتكون من جمع ثاني أكسيد الكربون بشكل رئيسي من المصادر الصناعية ومصادر الكهرباء، وضغطه، ونقله على مسافات طويلة، وإيداعه في أعماق الأرض للتخزين [187]. توضح الشكل 14 خيارات مختلفة لانبعاثات الكربون المنخفضة لتوريد الطاقة، بما في ذلك الغاز الطبيعي، والطاقة الشمسية، وطاقة الرياح، وطاقة المحيطات، والطاقة النووية، وحلول تحويل النفايات إلى طاقة [185]. لضمان توفير طاقة موثوقة ومستقرة، يمكن تنفيذ أنواع مختلفة من أنظمة تخزين الطاقة، مثل التخزين الحراري، والتخزين الكهربائي، وتخزين الهيدروجين [188]. توزيع الطاقة يخدم المستخدمين النهائيين، مثل المباني، والصناعة، والنقل [189]. تركز خرائط طريق إزالة الكربون بشكل رئيسي على أربع استراتيجيات رئيسية: استبدال الكربون، وتقليل الكربون، وتخزين الكربون، ودورة الكربون. الهدف من هذه التكتيكات هو استبدال مصادر الطاقة عالية الكربون بخيارات منخفضة الكربون، وتقليل انبعاثات الكربون من خلال تحسين الكفاءة واستخدام تقنيات أنظف، والتقاط أو تخزين انبعاثات الكربون لتجنب إطلاقها في الهواء، وإنشاء أنظمة مستدامة لاستخدام الكربون وإعادة تدويره.

تقدم هذه الخرائط الطرق توصيات للوصول إلى نظام طاقة خالٍ من الكربون وتقليل الآثار البيئية لانبعاثات الكربون [185].

لقد حظيت الأبحاث حول تقنيات الاحتراق بالأكسجين، والمُحَرق السابق، والمُحَرق اللاحق للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في إنتاج الطاقة باهتمام كبير [190]. تتضمن العملية فصل من الانبعاثات الصناعية، وضغطه، وتجفيفه، ونقله للتخزين الجيولوجي أو استعادة النفط المعززة (EOR) [191]. توفر تقنية التقاط ما بعد الاحتراق (PCC) ميزة انخفاض استهلاك الحرارة، على الرغم من أن عملية تجديد المذيب تتطلب كمية كبيرة من الطاقة [192]. ومع ذلك، فإن الامتصاص الكيميائي لتقنية PCC على نطاق واسع ليس ناضجًا كما هو الحال في التطبيقات الأخرى. تعتمد الصناعات المعنية بإنتاج المواد الكيميائية والتوليد المشترك بشكل كبير على تنقية الهيدروجين و الاحتجاز [193]. أدى الطلب العالي على الهيدروجين أيضًا إلى زيادة في إمدادات الهيدروجين، الذي يشغل التوربينات الغازية وخلايا الوقود [194]. وقد أبرز زو وآخرون [195] التقدمات الأخيرة في تنقية الغازات الغنية بالهيدروجين في أبحاثهم.

مجموعة من ، ويتم إنتاج الهيدروكربونات من الغاز الاصطناعي عن طريق إنتاجه أولاً من غاز الفحم أو إعادة تشكيل الميثان بالبخار [81]. في المنصات البحرية، الكيميائية، الغشاء،

والامتصاص الفيزيائي هما الطريقتان الرئيسيتان المستخدمتان لاستخراج من NG [196].

استخدام SS لـ جمع من NG مع مرتفع تمت دراسة المحتوى بشكل موسع. من الضروري إعداد الغاز الطبيعي مع تعديل نقطة الندى للماء (WDPA) وتعديل نقطة الندى للهيدروكربونات الثقيلة (HCDPA) لمنع الماء. التكثف، بينما التكثف يتطلب درجات حرارة منخفضة. المراقبة التجميد ضروري لتجنب انسداد SS. مسار تدفق SS لـ يجب الالتزام بحاجز تجمد توازن الصلب-البخار-السائل [74]. اقترح صن وآخرون [197] نموذجًا للتكون ونمو القطرات من تكثف من تغذية تحت ضغط عال.

استخدم جيانغ وآخرون [35،198] مؤخرًا فاصلًا يفصل ثاني أكسيد الكربون عن الغاز الطبيعي. استنادًا إلى آلية فصل القطرات والغاز، قاموا بدراسة معلمات التكثيف. بالإضافة إلى ذلك، بحثوا في تأثيرات نسب ثاني أكسيد الكربون، وضغط المدخل، ودرجة حرارة المدخل.

تلعب عملية تسييل الغاز الطبيعي دورًا حيويًا في تسهيل نقل وتخزين الغاز الطبيعي من خلال تحويله إلى غاز طبيعي مسال. يمكن أن يؤدي استرداد الطاقة الباردة من الغاز الطبيعي المسال إلى تقليل متطلبات التبريد بشكل كبير وتوفير الطاقة [199]. بالإضافة إلى قدراتها في فصل ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين عن الغاز الطبيعي، يمكن أيضًا استخدام وحدات SS لتوليد الغاز الطبيعي المسال. توضح الشكل 15 عملية تسييل الغاز المدمجة، حيث يتم تبريد الغاز الطبيعي مسبقًا باستخدام مبادل حراري لخفض درجة حرارته [2]. ثم يتم توجيه الغاز الطبيعي المبرد إلى فوهة لافال، حيث يخضع لتحول سريع إلى حالة سائلة. تسهل مجموعة السرعة العالية ودرجة الحرارة المنخفضة في فوهة لافال هذا التحول [2].

بعد المرور عبر فوهة لافال، ينتقل خليط الغاز والسائل إلى فاصل الغاز والسائل. في هذا الفاصل، يتم فصل السوائل عن الغاز وتوجيهها نحو خزان تخزين الغاز الطبيعي المسال. يتم تخزين السوائل المفصولة، التي أصبحت الآن في شكل غاز طبيعي مسال، في خزان تخزين الغاز الطبيعي المسال للاستخدام أو التوزيع لاحقًا. في الوقت نفسه، يتم دمج الغاز الطبيعي منخفض الحرارة من الفاصل مع غاز التبخر (BOG) الناتج عن خزان تخزين الغاز الطبيعي المسال. غاز التبخر هو الغاز الذي يتبخر من الغاز الطبيعي المسال بسبب اكتساب الحرارة أو عوامل أخرى. ثم يتم تمرير خليط الغاز الطبيعي منخفض الحرارة وغاز التبخر عبر مبادل حراري. في المبادل الحراري، يتم تسخين الغاز الطبيعي الوارد.
باستخدام الطاقة الحرارية من خليط الغاز منخفض الحرارة. تعمل هذه العملية على تحسين كفاءة الطاقة من خلال الاستفادة من الحرارة الناتجة عن الغاز المتبخر والغاز منخفض الحرارة.

لنقل الغاز الطبيعي المسال على السفن إلى محطات الاستقبال، تكون درجة الحرارة والضغط الجوي المطلوبين عادة حوالي [200]. يتطلب تسييل الغاز الطبيعي حوالي من الطاقة الكهربائية لكل طن من الغاز الطبيعي المسال عند ، والتي تشمل كمية كبيرة من الطاقة الباردة [201]. تتراوح متطلبات الطاقة لتسييل الغاز الطبيعي بين 0.45 و [202]. نظرًا للعلاقة القوية بين هذه المعلمات، فإن تحسين أداء عملية التسييل يعد أمرًا صعبًا ومقيدًا. بعد تقطيرها لصنع الغاز المسال، يتم تخزين الغاز الطبيعي المسال في خزانات معزولة. ثم يتم ضغط السائل إلى الضغط المطلوب لنقل الأنابيب ويتبخر إلى درجة حرارة البيئة [203].

اقترح بيان وآخرون [35] تقنية ثورية لتسييل الغازات، وخاصة الغاز الطبيعي. في عمليتهم، يتم تبريد الغاز الطبيعي مسبقًا في مبادل حراري ثم يمر عبر فوهة لافال، حيث يخضع للتسييل عند سرعة عالية ودرجة حرارة منخفضة. يتم توجيه خليط الغاز والسائل بعد ذلك إلى فاصل الغاز والسائل، ويتم تخزين المكون السائل في خزان تخزين الغاز الطبيعي المسال. كما يجمع فاصل الغاز والسائل الغاز الطبيعي منخفض الحرارة من خزان الغاز الطبيعي المسال مع غاز التبخر قبل دخوله إلى المبادل الحراري.

يتطلب تسييل الغاز فصل الشوائب مثل النيتروجين والزئبق والرطوبة والغازات الحمضية والهيدروكربونات الثقيلة. التسييل هو عملية فيزيائية لتحويل الغاز الطبيعي إلى حالة سائلة من خلال ظاهرة التكثيف. يُستخدم تسييل الغازات لأغراض علمية وصناعية وتجارية، وحجمه أقل بـ 600 مرة من الغاز الطبيعي تحت الظروف العادية.

الغاز الطبيعي المسال هو أنظف وقود أحفوري من الناحية الاقتصادية والبيئية ويفضل على الوقود السائل مثل الديزل وزيت الوقود في العديد من البلدان. هذا المنتج أكثر أمانًا بكثير مقارنة بالغاز الطبيعي المضغوط (CNG) بسبب ظروف الصيانة (ضغط تشغيل منخفض). يمكن زيادة أو تقليل الضغط أو درجة الحرارة لتسييل العديد من الغازات. في الوقت الحاضر، لتسهيل تخزين الغاز الطبيعي ونقله، غالبًا ما يستخدمون عملية تسييل الغاز الطبيعي وتحويله إلى غاز البترول المسال والغاز الطبيعي المسال. الفاصل فوق الصوتي هو أداة فعالة لإنتاج الغاز الطبيعي المسال بأقل تكلفة ممكنة. الفوهات المتقاربة والمتباعدة في هذه الفواصل تجعل التدفق يصبح فوق صوتي، مما يتسبب في انخفاض درجة الحرارة بشكل كبير وأخيرًا حدوث التكثيف.

فصل الغاز الطبيعي له مزايا أخرى، بالإضافة إلى تنقيته وتقليل الانبعاثات. على الرغم من أن الوقود الأحفوري سيتم استبداله في النهاية بمصادر الطاقة المتجددة [206]، إلا أن معدل اعتماد تقنيات الطاقة المتجددة وتقنيات تقليل الانبعاثات كان منخفضًا نسبيًا [207]، ولكن تحقيق أهداف تخفيف غازات الدفيئة في اتفاقية باريس يتطلب هذه التقنيات. نظرًا لانخفاض مستويات انبعاثاته، حظي الغاز الطبيعي بأكبر قدر من الاهتمام بسبب دوره في جعل الطاقة مستدامة [208]. CCS و الالتقاط والاستخدام (CCU) هي تقنيات مهمة لتقليل الأثر البيئي. كما أن CCU تقوم بتحويل إلى الوقود والمواد الكيميائية، مما يساهم في إعادة تدوير الكربون [209].

هناك عدد من الصناعات التي يمكن أن تستفيد من الفصل [210]. الطريقة الأكثر شيوعًا هي تحويل مباشرة إلى الميثانول وغير مباشرة من خلال إعادة التشكيل البيولوجي [211]. عند التفاعل بين و يتم إنتاج الغاز الاصطناعي من الميثان، والذي يتم تحويله لاحقًا إلى ميثانول من خلال تفاعلات تحويل غاز الماء. إن استخدام ثاني أكسيد الكربون كمواد خام في العمليات الكيميائية هو القوة الدافعة الرئيسية وراء هذه التخليق البديل للميثانول. باعتباره المادة الخام الرئيسية للصناعات الكيميائية، يعمل الميثانول في سوق الطلب العالمي. بالإضافة إلى تقليل الاعتماد على النفط، يمكن أن يعمل الميثانول أيضًا كمصدر بديل للوقود أو مادة خام لتصنيع الهيدروكربونات. يمكن أن يقلل هذا من الاعتماد الصناعي على الغاز الطبيعي والنفط الخام.

تتجاوز تقنية الفاصل فوق الصوتي قيود التقنيات التقليدية. فهي لا تحتاج إلى طاقة خارجية للتشغيل، مما يجعلها خيارًا أكثر صداقة للبيئة مقارنة بالتقنيات الأخرى. كما أن الفواصل تفتقر إلى المكونات المتحركة، مما يجعلها أكثر موثوقية وديمومة. بالإضافة إلى كونها غير قابلة للتسرب وغير ملوثة، فإن الفواصل لها بصمة بيئية صغيرة، مما يجعلها خيارًا مفضلًا للصناعات التي تركز على الاستدامة. كما أن الفواصل أكثر أمانًا في التعامل لأنها لا تحتاج إلى مواد كيميائية لتعمل. وهذا أمر بالغ الأهمية بشكل خاص للقطاعات التي لديها متطلبات سلامة صارمة. تسهل الفواصل عملية إزالة الرطوبة بسبب هيكلها البسيط الذي يفتقر إلى مكونات الاحتفاظ. وبالتالي، فإنها تتميز بانخفاض تكاليف التشغيل والقدرة على العمل دون إشراف، مما يجعلها مفيدة للغاية للقطاعات التي تحتاج إلى تشغيل مستمر. توضح الشكل 16 مقارنة بين استدامة الفصل فوق الصوتي والتقنيات التقليدية في هندسة المعالجة، من خلال دراسة مؤشرات رباعية الأبعاد: الأثر البيئي، الكفاءة، الصحة والسلامة، والجدوى الاقتصادية. تشير النتائج إلى أن الفصل فوق الصوتي يتفوق على الطرق التقليدية من حيث الصداقة البيئية، والكفاءة، والفوائد الاقتصادية. على وجه التحديد، فإن مؤشر الاستدامة للمصنع بالكامل للفصل فوق الصوتي هو 0.99، وهو أعلى بكثير من 0.86 للطريق التقليدي. وهذا يبرز الاستدامة المتفوقة للفصل فوق الصوتي مقارنة بالتقنيات التقليدية.

تجد الغازات عالية النقاء تطبيقات واسعة في صناعات متنوعة مثل الأدوية، والتحليلات، والإلكترونيات، والبتروكيماويات. إن الضرورة لزيادة العوائد، وتقليل التكاليف، وتحسين الأداء في هذه القطاعات تؤكد على الحاجة إلى غازات خاصة بالعمليات خالية من الشوائب الضئيلة.

تعتبر CCS تقنية بيئية محورية ضرورية لتقليل التكاليف الاقتصادية القابلة للتحقيق. انبعاثات من محطات الطاقة [218]. على الرغم من التحقق الأخير من نظام الأمين القائم على النطاق الكامل أنظمة الالتقاط [219]، العقبة المستمرة المتمثلة في التكاليف المرتفعة لقد حفزت تخفيضات الانبعاثات استكشاف تقنيات مبتكرة [220]. من بين هذه التقنيات خلايا الوقود الكربونية المنصهرة (MCFCs) [221]، الأغشية [222]، احتجاز الاحتراق المضغوط [223]، الفاصل فوق الصوتي [147]، والدفع المضاد للتسامي.

كما لوحظ من قبل AlNouss وآخرين [224]، فإن أبسط بديل لـ HCDPA هو توسيع جول-تومسون (JTE) الذي يتكون من مبادل حراري، وصمام إيزنتالبي، وحاوية لاستخراج سوائل الغاز الطبيعي. وقد قام هؤلاء المؤلفون بتقييم اقتصادي/بيئي لأنظمة HCDPA الأكثر تعقيدًا مع الأخذ في الاعتبار ستة تكوينات للتوربينات لتقليل استهلاك الطاقة و الانبعاثات، وليس من المستغرب تحديد تبادل اقتصادي بيئي. يجب أخذ تعقيد تنفيذ وتشغيل تقنية الفصل فوق الصوتي في الاعتبار في تحليل التكلفة. قد تحتوي تقنيات أخرى على تعقيدات مختلفة، مما يمكن أن يؤثر على التثبيت والتدريب والمتطلبات التشغيلية المستمرة.

أظهر تيكسيرا وآخرون [52] أن استرداد الميثانول باستخدام SS يتضمن رافعة اقتصادية تتيح مصنع ما بعد الالتقاط للحد من منبعث ; أي أن معالجة SS هذه تعتبر إنتاج غاز أنظف مقارنةً بالنظير التقليدي. من أجل النقل الآمن وللحفاظ على قيمة التسخين لتيارات الغاز الطبيعي، فإن تصحيحات نقطة الندى للماء والهيدروكربونات الثقيلة ضرورية. يمكن لفاصل فوق الصوتي تحقيق كلا المهمتين بدرجة عالية من الموثوقية، وتكاليف تشغيلية منخفضة، ومتطلبات تشغيلية بسيطة. يمكن أن تكون قدرة الفصل فوق الصوتي على التعامل مع مجموعة واسعة من الشوائب وظروف التشغيل مفيدة في بعض التطبيقات. قد توفر المرونة في التكيف مع تركيبات الغاز المدخل المختلفة ومستويات الشوائب فوائد من حيث التكلفة مقارنةً بتقنيات التنقية الأخرى التي هي أكثر تخصصًا.

مقارنة عملية SS مع تسلسل العمليات التقليدي – WDPA من خلال امتصاص الماء بواسطة ثلاثي إيثيلين جلايكول (TEG) تليها HCDPA باستخدام جهد جول-طومسون (JT) وفاصل منخفض الحرارة (LTS) – كشفت عن نتائج دقيقة [169]. أظهرت عملية SS نفقات رأس المال (CAPEX) أعلى مقارنة بعملية TEG + JT/LTS.

أظهرت النتائج الإضافية أن النفقات التشغيلية (OPEX) كانت تفضل قليلاً العملية التقليدية بسبب توفرها الأفضل، مما أدى إلى ارتفاع تكاليف إمدادات الغاز الطبيعي (NG) السنوية. ومع ذلك، تفوقت عملية SS على عملية TEG + JT/LTS من حيث الإيرادات بفضل توفرها الأعلى واستعادة سوائل الغاز الطبيعي (NGL) بشكل أفضل، مما يعزز الأداء الاقتصادي العام. تجاوزت القيمة الحالية الصافية (NPV) لعملية SS تلك الخاصة بعملية TEG + JT/LTS. تقدم الشكل 17 مقارنة بين الاستثمار الرأسمالي الثابت والتدفق النقدي التراكمي المخصوم بين مصانع الغاز التقليدية ومصانع فصل الغاز فوق الصوتي. تكشف النتائج أنه بينما تتطلب عملية الفصل فوق الصوتي استثمارًا رأسماليًا ثابتًا أعلى مقارنة بالطرق التقليدية، إلا أنها تقدم أداءً اقتصاديًا أفضل من حيث التدفق النقدي التراكمي المخصوم مقارنة بمصانع الغاز التقليدية.

الشكل 18 يوضح التدفق النقدي المخصوم التراكمي المتزايد (MMUSD) لعملية SS، المعروضة بشكل متزايد بالنسبة للعملية التقليدية (TEG + JT/LTS)، مما يعكس ارتفاع تكاليف رأس المال.

تُعزى عملية SS بشكل أساسي إلى الضغط المطلوب [77]. هذا الضغط، بدوره، قدم فائدة إضافية تتمثل في ضغط الغاز المصدر الذي يزيد بمقدار 12.5 بار عن نظيره في حالة TEG + JT/LTS. علاوة على ذلك، زادت عملية SS من إنتاج NGL، مما أدى إلى زيادة الإيرادات، وسداد مبكر للاستثمار، وزيادة في القيمة الحالية الصافية. جانب حاسم في اعتبارات الاستثمار هو الاستهلاك، وقد تم إثبات مدة تشغيل الفواصل فوق الصوتية على مدى ست سنوات، مع تكاليف صيانة قريبة من الصفر وفحوصات مرة كل
ست سنوات، تضع هذه التقنية في موقع يتيح لها تكاليف فرص أقل مقارنة بتقنية TEG + JT/LTS التقليدية. عملية تجديد الجلايكول في الطرق التقليدية، التي تتضمن إطلاق غاز التجريد إلى الغلاف الجوي بعد الاحتراق، تتناقض مع عملية SS، التي تقلل من متطلبات المعدات الرئيسية في تقليل نقطة الندى للغاز الطبيعي وتلغي الحاجة إلى المواد الكيميائية. ومن الجدير بالذكر أن غاز التجريد في الطرق التقليدية، الذي يحتوي على الألكانات C3+ ومكونات البنزين-التولوين-الزيلين (BTX) العطرية المحتملة الخطورة، يساهم في

الانبعاثات الناتجة عن الاحتراق وتشكل مخاطر في حالة الاحتراق غير الكامل.

باختصار، يكشف التحليل الشامل للتكلفة والفائدة للفصل فوق الصوتي مقارنة بالطرق التقليدية عن مشهد متعدد الأبعاد. بينما قد تكون التكاليف الأولية أعلى، فإن المزايا الاقتصادية على المدى الطويل، وكفاءة التشغيل، والفوائد البيئية تضع الفواصل فوق الصوتية كحل قابل للتطبيق ومستدام عبر مجموعة من التطبيقات الصناعية.

هناك عدة تعريفات للتنمية المستدامة، ولكن أحد أكثرها قبولًا هو: التنمية التي تلبي المطالب الحالية دون jeopardizing مطالب المستقبل [226]. على الرغم من أن مستقبل الطاقة المستدامة يعتمد على مصادر الطاقة البديلة، إلا أن التحديات لا تزال قائمة، مثل التقطع، والموقع، ومخاوف النقل، والتسعير، خاصة في الدول النامية. كما يتضح من استبدال الوقود الأحفوري ذو نسبة H/C (الحرارة إلى الكربون) المنخفضة (مثل النفط والفحم) بالغاز الطبيعي الذي لديه نسبة H/C أعلى ويصدر كميات أقل من ثاني أكسيد الكربون لكل وحدة من الطاقة المنتجة، هناك جهد على مستوى الصناعة لاستبدال محطات الطاقة التي تعمل بالفحم ببدائل فعالة تترك بصمة كربونية أصغر. وبالتالي، فإن الغاز الطبيعي هو خيار آمن لحلول الطاقة على المدى المتوسط. ومع ذلك، فإن أكثر من من احتياطيات الغاز الطبيعي المؤكدة تشمل , مما يسبب مشاكل ويتطلب تطوير طرق جديدة لاستكشاف وإنتاج الغاز الطبيعي [91].

يتفق معظم الناس على أن إمدادات مستقرة من موارد الطاقة هي شرط ضروري ولكنه غير كافٍ لتطور الحضارة. علاوة على ذلك، فإن إمدادات موثوقة من موارد الطاقة ضرورية للتنمية المستدامة. اعتمادًا على كيفية تعريف الاستدامة، فإن هذه التصريحات لها عدة آثار. هذه التأكيدات لها معنى أساسي، وهو أن المجتمع لا يمكن أن ينمو بشكل مستدام دون إمدادات طاقة يسهل الوصول إليها، وبأسعار معقولة، وقابلة للاستخدام في جميع الأنشطة دون أن يكون لها تأثير ضار على المجتمع. إن استخدام موارد الطاقة بأكبر قدر ممكن من الكفاءة ضروري للتنمية المستدامة، وهو المعنى الثاني للجملة الافتتاحية في هذا القسم [227]. بهذه الطريقة، يستفيد المجتمع من مزايا استخدام موارده من الطاقة مع تجنب العيوب (بما في ذلك الأضرار البيئية) المرتبطة باستخدامها. وبالتالي، فإن الاستخدام الأكثر كفاءة لهذه الموارد يسمح لها بالمساهمة في التنمية المستدامة على مدى فترة زمنية أطول. هذا الاستنتاج يعترف بأن جميع إمدادات الطاقة محدودة إلى حد ما. من المحتمل أن تستمر الجهود لزيادة كفاءة الطاقة حتى لو أصبحت مصادر الطاقة في النهاية ميسورة التكلفة ومتاحة على نطاق واسع. وذلك لأن القيام بذلك سيقلل من عدد الموارد (مثل الطاقة والمواد) اللازمة لبناء وصيانة أنظمة جمع الطاقة
والمعدات ويقلل من أي آثار سلبية على البيئة. المعنى الأول، الذي يرتبط بوضوح بالتنمية المستدامة، كان ولا يزال موضوع الكثير من النقاش. ثانيًا، تلعب كفاءة الطاقة دورًا حاسمًا في التنمية المستدامة، لكنها أقل اعترافًا وفهمًا.

زيادة استهلاك الطاقة تضع عبئًا على البنى التحتية الحالية وتؤثر سلبًا على البيئة من خلال انبعاثات أول أكسيد الكربون، , أكسيد النيتروجين، وأكسيد الكبريت. التنمية المستدامة هي استراتيجية طويلة الأجل لحل التحديات البيئية الحالية.

حتى عام 2050، من المتوقع أن ينمو الغاز الطبيعي بمعدل في السنة، بينما من المتوقع أن تنخفض الوقود السائلة المعتمدة على النفط، المصدر الأكثر استخدامًا للطاقة. تدعم تنافسية الغاز الطبيعي موارده الضخمة وزيادة إنتاجه، بما في ذلك هيدرات الغاز الطبيعي [228]، التي لا تزال في مراحلها الأولى. بالإضافة إلى ذلك، من بين الوقود الأحفوري، يصدر الغاز الطبيعي أقل كمية من ثاني أكسيد الكربون ( ) لكل وحدة من الطاقة المنتجة، مما يؤدي إلى عملية احتراق أنظف. الغاز الطبيعي هو مصدر طاقة حيوي للعالم، ومن المتوقع أن يستمر في لعب دور كبير في هذا القرن. ومع ذلك، فإن استخراج وإنتاج الغاز الطبيعي يمكن أن يكون تحديًا، خاصة في الحقول البحرية النائية الجديدة. غالبًا ما تتميز هذه الحقول بتوليد الطاقة بكفاءة منخفضة عبر توربينات الغاز التي تصدر غاز العادم الساخن، مما يؤدي إلى استنزاف الموارد بشكل كبير، وانبعاثات كربونية عالية، واستدامة منخفضة. لزيادة كفاءة استكشاف وإنتاج الغاز الطبيعي، من الضروري إيجاد حلول لهذه التحديات [229]. هذا أمر ضروري لأن منصات النفط والغاز البحرية لها تأثير كبير على البيئة، حيث تنتج و عبر توليد الطاقة في الموقع، وأنظمة الاحتراق، ومرافق المعالجة. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه العواقب تكون أكثر أهمية بشكل كبير في حالات نهاية عمر المنصة [230]. تؤثر منصات النفط البحرية بشكل كبير على البيئة بسبب المولدات، والاحتراق، ومرافق المناولة في الموقع التي تنتج و . من أجل تلبية الطلب المتزايد على الغاز الطبيعي ومتطلبات الاستدامة العالمية [40]، هناك حاجة إلى تصاميم معالجة بحرية جديدة لتعظيم استخدام الموارد.

تعتمد التنمية المستدامة على أخذ العوامل البيئية في الاعتبار. الضرر البيئي المستمر ليس مستدامًا على المدى الطويل لأسباب متنوعة، بما في ذلك التأثير التراكمي لمثل هذه الأفعال على النظام البيئي، والذي قد يؤدي مع مرور الوقت إلى مجموعة متنوعة من المشكلات الصحية والبيئية وغيرها. كمية الطاقة المستخدمة من قبل حضارة لها تأثير هائل على البيئة. ستستخدم مجتمع يسعى إلى التنمية المستدامة بشكل مثالي فقط مصادر الطاقة التي ليس لها تأثير على البيئة. قد تخفف الجهود لتحسين كفاءة الطاقة بعض (لكن ليس كل) المخاوف بشأن القيود المفروضة على النمو المستدام بسبب الانبعاثات البيئية. هناك ارتباط واضح بين كفاءة الطاقة والبيئة حيث أن تقليل استخدام الموارد والتلوث يحدث غالبًا مع زيادة كفاءة الطاقة لنفس الخدمات أو السلع. تقلل كفاءة الطاقة العالية من خسائر الطاقة. مع معظم مكاسب الكفاءة، تستفيد البيئة بطريقتين. يتم تقليل انبعاثات الملوثات أولاً من خلال تقليل كمية الطاقة المطلوبة لكل وحدة من الإنتاج. عندما يتم أخذ العمر الافتراضي الكامل لموارد الطاقة والتكنولوجيا في الاعتبار، يصبح من الواضح أن تحسين الكفاءة يقلل من التأثير البيئي في معظم مراحل دورة الحياة.

لقد كان التخفيف من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ( ) مصدر قلق كبير في العقود القليلة الماضية، وتم تطوير حلول كيميائية وفيزيائية. ومع ذلك، فإن هذه الحلول عادة ما تفرض تكلفة اقتصادية كبيرة على العمليات المصدرة. من الممكن حل هذه المشكلة من خلال تحويل إلى منتجات قيمة، مثل البوليمرات، والميثانول، والسلع الكيميائية. بالإضافة إلى تقليل الانبعاثات، سيكون المشروع مفيدًا اقتصاديًا أيضًا.

بينما يلعب الغاز الطبيعي دورًا مختلفًا لأنه يمكن استخدامه كوسيلة لتقليل انبعاثات الكربون وهدف بديل للبدائل الأنظف، اعتمادًا على القطاع، والاستراتيجية، والعملية
تحليل الديناميات. في اقتصاد الطاقة المستدام، من المحتمل أن تلعب بنية الغاز الطبيعي دورًا أقل بروزًا، على الرغم من الإجماع على أن الابتعاد عن الفحم والنفط أمر ضروري (أو تنفيذ تدابير إضافية مثل احتجاز الكربون وتخزينه). يؤدي احتراق الغاز الطبيعي إلى إطلاق ملوثات وغازات دفيئة (GHG)، بينما ينبعث الغاز الطبيعي نفسه غازات دفيئة، بشكل أساسي الميثان. أصبح التحول نحو الغاز الطبيعي كمصدر رئيسي للوقود شائعًا بشكل متزايد بين الدول الصناعية. ويرجع ذلك إلى القلق بشأن الأنواع الثلاثة من العواقب، بما في ذلك التأثيرات البيئية والاقتصادية والاجتماعية. وقد صاحب الزيادات الأخيرة في إنتاج الغاز انخفاض في إجمالي انبعاثات غازات الدفيئة المحلية، مما يشير إلى أن الغاز الطبيعي قد يكون بديلاً أنظف وأكثر كفاءة من الوقود التقليدي (مثل النفط أو الفحم). ونتيجة لذلك، تم دفع الغاز الطبيعي كوقود “جسر” لتقليل انبعاثات الكربون، خاصة كبديل أرخص للفحم في توليد الطاقة [231]. كمصدر طاقة راسخ ومنخفض التكلفة، يمكن تطبيق الغاز الطبيعي على مجموعة واسعة من الصناعات بما في ذلك توليد الكهرباء والنقل والتصنيع. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن الغاز الطبيعي المستخرج من الخزانات يحتوي على كميات عالية من الملوثات والهيدروكربونات الثقيلة. وهذا يعني أن الغالبية العظمى من الغاز المستخرج تتكون من هذه المواد. وقد تم الإشارة إلى أنه لا ينبغي استخدام الغاز الطبيعي كوقود جسر، مع الإشارة إلى المخاوف من أنه قد يعيق تطوير تقنيات “نهائية” متقدمة أو يشكل خطرًا بيئيًا غير مقبول إذا تم الحصول عليه من مصادر غير تقليدية [232].

الغاز الطبيعي هو مصدر وقود أنظف وأكثر كفاءة من النفط والفحم. ومع ذلك، لا يزال يحتوي على ملوثات وهيدروكربونات يمكن أن تسبب مشاكل عند استخدامه كوقود. لحسن الحظ، تم تطوير تقنيات لإزالة هذه الملوثات والهيدروكربونات من الغاز الطبيعي قبل استخدامه كوقود. تُعرف هذه العملية بمعالجة الغاز وتشمل عدة مراحل مثل الفصل، وإزالة الرطوبة، والتحلية، والتجزئة. بشكل عام، يعتبر التحول نحو الغاز الطبيعي كمصدر رئيسي للوقود خطوة إيجابية نحو تقليل التأثيرات السلبية للوقود الأحفوري على البيئة وصحة الإنسان. ومع ذلك، من الضروري التأكد من استخدام تقنيات معالجة الغاز المناسبة لتقليل الملوثات والهيدروكربونات في الغاز. يمكن أن يكون للفصل فوق الصوتي في تنقية الغاز واستخدام الغاز الطبيعي عدة تأثيرات بيئية. بعض الاعتبارات الرئيسية هي كما يلي.

يقدم الفصل فوق الصوتي في تنقية الغاز واستخدام الغاز الطبيعي عدة فوائد هامة واعتبارات للبيئة. من خلال إزالة الشوائب من الغاز الطبيعي بفعالية، يساعد الفصل فوق الصوتي في تقليل الانبعاثات، وتحسين جودة الهواء، وتقليل التلوث البيئي. يساهم استخدام الغاز الطبيعي، عند دمجه مع تقنيات التنقية الفعالة، في تقليل انبعاثات غازات الدفيئة والحفاظ على الموارد الطبيعية.

نظرًا للنتائج المثيرة للإعجاب التي تقدمها هذه التقنية، تم إجراء عدة دراسات حول التصميم والوظائف والجدوى الاقتصادية، بالإضافة إلى الاستخدامات الصناعية للفصل فوق الصوتي. ومع ذلك، من الضروري الاعتراف بأن الجهود المستمرة مطلوبة لمزيد من تحسين هذه العمليات ومعالجة التحديات البيئية. تقدم هذه الورقة، التي هي تقييم للأدبيات، نظرة عامة مختصرة على التطورات الأخيرة في مجال تقنية الفصل فوق الصوتي. تحدد الاتجاهات المحتملة لمزيد من البحث.

بشكل عام، تشمل إجراءات التنقية إزالة الماء والزيت والمواد الكيميائية (مثل كبريتيد الهيدروجين، وثاني أكسيد الكربون، والزئبق) من مادة ما [233]. تشمل التقنيات التقليدية لتكييف الغاز الطبيعي واستخراج سوائل الغاز الطبيعي مرافق ذات تكاليف رأسمالية عالية ونفقات تشغيلية مرتفعة. يتأثر تصميم وتشغيل هذه المرافق بشكل كبير بخصائص الآبار والغاز الطبيعي. تتميز أنظمة التحلية وإزالة الرطوبة التقليدية بمكونات دوارة، وتحتاج إلى عمليات بشرية معقدة، ومخاوف تتعلق بالسلامة، وجداول صيانة منتظمة، وتنتج غازًا غير مطابق للمواصفات عند بدء التشغيل. تمثل الإضافات الكيميائية التقليدية، مثل مثبطات الهيدرات، مخاطر بيئية كبيرة. استخدام جهاز اتصال ومجدد مزود بمادة مجففة سائلة هيدروسكوبية هو طريقة قياسية لإزالة الرطوبة من الغازات. الفصل فوق الصوتي هو تقنية فصل ثورية. يعتمد على تصميم نظري يجمع بين الديناميكا الهوائية، والديناميكا الحرارية، والفصل الفيزيائي، والديناميكا السائلة بطريقة جديدة، مما يؤدي إلى عملية جديدة لتكييف الغاز.

الفصل فوق الصوتي هو تقنية جديدة نسبيًا وجدت مؤخرًا أهمية في إزالة الرطوبة من الغاز الطبيعي. تجمع العملية بين التكثيف والفصل في جهاز واحد يتحكم في الماء ونقطة الندى للهيدروكربونات بينما يحسن معالجة الغاز الطبيعي إلى سائل.

أظهرت هذه الآلات جدواها كمعالجات للأنابيب، خاصة في الحالات غير المراقبة. لا يزال الغاز الطبيعي يحتاج إلى مزيد من البحث لفهم خصائصه بالكامل في الظروف فوق الصوتية. هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات حول تأثيرات معلمات الإدخال (درجة الحرارة، والضغط، والتركيب) على فصل طبقة الحدود، بالإضافة إلى تأثيرات توليد دوامات عكسية على أداء الفوهة.

تطبيق تقنية الفصل فوق الصوتي في الغاز البحري
تقدم بيئات التوربينات تحديات فريدة تتجاوز تلك التي تواجهها الصناعات على اليابسة. بالإضافة إلى القضايا القياسية التي تواجهها المنشآت على اليابسة، فإن المتطلبات المحددة للمنصات البحرية تطرح عقبات إضافية تتعلق بالحجم (المساحة)، والوزن، والاستقرار في وجود حركة الأمواج. يجب أن تتنقل المنشآت لالتقاط CO2 ليس فقط ضمن قيود المساحة المحدودة ولكن أيضًا ضمن ضرورة الحفاظ على كفاءة العملية [31].

مقارنةً بمحطات إزالة الرطوبة التقليدية، توفر الفواصل فوق الصوتية مزايا مميزة من حيث الحجم والوزن والجدوى الاقتصادية والأثر البيئي. ومن الجدير بالذكر أنها تفتقر إلى المكونات الدوارة، مما يجعلها مناسبة للتشغيل المستقل في البحر [234]. تظهر التكنولوجيا كفاءة طاقة أعلى مقارنة بأساليب معالجة الغاز الطبيعي التقليدية، كما تدعمه الأبحاث الأكاديمية. على الرغم من كونها ابتكارًا حديثًا نسبيًا، إلا أن وحدات الاختبار التجارية كانت تعمل منذ عام 1998 في مواقع عالمية مختلفة، بما في ذلك نيجيريا وهولندا والنرويج، مما أكسبها خبرة تشغيلية كبيرة. منذ عام 2003، استخدمت ماليزيا تقنية الفصل فوق الصوتي لإزالة الرطوبة، مع منشآت على منصة B11 المملوكة لشركة بتروناس وشركة ساراواك شل برهاد (SSB) تعالج ما يصل إلى 300 MMSCFD [11].

تقديم الفواصل فوق الصوتية من نطاق المختبر/الاختبار إلى التطبيق على نطاق صناعي في المنصات البحرية يطرح تحديات هائلة. يتطلب معالجة هذه التحديات نهجًا متعدد التخصصات، يجمع بين الخبرة في ديناميات السوائل، وعلوم المواد، والهندسة البحرية. إن التغلب بنجاح على هذه العقبات هو المفتاح ليس فقط لفتح إمكانيات تقنية الفصل فوق الصوتي ولكن أيضًا للمساهمة في معالجة الغاز بشكل أكثر كفاءة واستدامة في البيئة البحرية الصعبة. إن نقل نجاح الفواصل فوق الصوتية من بيئات المختبر إلى المنصات البحرية يقدم تحديات في توسيع الإنتاج. الكمية الكبيرة من الغاز التي يتم مواجهتها في الإعدادات الصناعية تتطلب إعادة تقييم سعة الفاصل دون المساس بالكفاءة.

قد لا تعكس ديناميات السوائل التي تحكم الفصل فوق الصوتي على المقاييس الصغيرة تعقيدات البيئات البحرية بالكامل. تتعرض المنصات البحرية لحالات بحرية وظروف جوية متغيرة، مما يتطلب فهمًا شاملاً لكيفية تأثير هذه العوامل على أداء واستقرار الفواصل فوق الصوتية. تعرض المنصات البحرية المعدات لعناصر تآكلية، مما يتحدى سلامة المواد للفواصل فوق الصوتية. يعد اختيار المواد التي تتحمل الطبيعة التآكلية للجو البحري دون المساس بالكفاءة اعتبارًا حاسمًا. يتطلب تكييف الفواصل على نطاق المختبر مع المنصات البحرية تكاملًا سلسًا مع البنية التحتية الحالية. تظهر التحديات في محاذاة الفاصل مع وحدات المعالجة الأخرى والحفاظ على التوافق مع خطوط الأنابيب، مما يتطلب تخطيطًا وهندسة دقيقة. تعمل المنصات البحرية ضمن مساحات محصورة، مما يتطلب توازنًا دقيقًا بين زيادة حجم الفاصل للتعامل مع الإنتاج الصناعي والحفاظ على مساحة مضغوطة. إن الاستخدام الفعال للمساحة أمر حاسم للتنفيذ العملي.

تطرح البيئات البحرية تحديات فريدة، بما في ذلك الظروف الجوية القاسية وخطر تعرض المعدات لمياه البحر. يتطلب ضمان سلامة وموثوقية الفواصل فوق الصوتية في هذه الظروف ميزات تصميم قوية وآليات أمان. تضع الصناعة البحرية قيمة كبيرة على الاستدامة. يعد تقييم وتخفيف الأثر البيئي للفصل فوق الصوتي، بما في ذلك الاعتبارات المتعلقة بالانبعاثات، والتخلص من النفايات، والاستدامة البيئية العامة، جانبًا حاسمًا من عملية التوسع.

ظهرت الفواصل فوق الصوتية كأدوات فعالة للغاية لفصل خليط الغاز في تطبيقات صناعية متنوعة، مما جذب الانتباه بسبب استخدامها لمبادئ التدفق فوق الصوتي. ومع ذلك، فإن تنفيذها الناجح يتطلب استكشافًا شاملاً للاعتبارات التصميمية العملية وتكامل العملية بسلاسة. من حيث الاعتبارات التصميمية العملية، فإن اختيار تكوين التدفق يثبت
hاسمًا. تؤثر التكوينات مثل الترتيبات المتوازية، أو المعاكسة، أو المتقاطعة بشكل مباشر على ملفات السرعة داخل الفاصل، مما يؤثر على كفاءة الفصل [235]. تحدد هندسة الفوهة، وهي اعتبار حاسم آخر، تدفق الكتلة وملفات السرعة عند مدخل الفاصل، مما يتطلب تحسينًا لتعظيم الكفاءة مع تقليل فقد الضغط [37]. يعد اختيار المواد لمكونات الفاصل، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ الكربوني، أو المواد المركبة، أمرًا أساسيًا، مع توجيه عوامل مثل الضغط، ودرجة الحرارة، وتآكل الغاز عملية اتخاذ القرار [79].

يتطلب تكامل الفواصل فوق الصوتية في العمليات الصناعية تخطيطًا دقيقًا لضمان التوافق مع المعدات والبنية التحتية الحالية. قد يتضمن التكامل ربط الفاصل بالضواغط، أو المرشحات، أو المبادلات الحرارية، مع التركيز على التشغيل السلس جنبًا إلى جنب مع أنظمة التحكم في العمليات والسلامة. يصبح التخصيص أمرًا ضروريًا عند استخدام الفواصل فوق الصوتية لـ الفصل. يصبح اختيار مادة الفوهة أمرًا حاسمًا، وغالبًا ما يتطلب مواد مثل هاسيلوي أو إنكونيل لتحمل الضغوط ودرجات الحرارة العالية [236]. يجب تحسين تصميم الفاصل نفسه لـ الفصل، مما يتطلب تعديلات على الهندسة وتدابير التحكم في درجة الحرارة لتعزيز الالتقاط وتقليل فقد الغاز. قد تحتاج أنظمة التحكم في العمليات إلى ترقية لتلبية الاحتياجات المحددة لـ الفصل، مع دمج خوارزميات مراقبة وتحكم متقدمة لتحسين الكفاءة وتقليل استهلاك الطاقة.

تعد مزايا استخدام الفواصل فوق الصوتية لـ الفصل جديرة بالملاحظة. فهي تتمتع بمساحة أصغر ووزن أقل مناسب للتركيبات البحرية والمزدحمة، وتلغي الحاجة إلى المواد الكيميائية أو المذيبات، مما يقلل من الأثر البيئي وتكاليف التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، فإن قابليتها للتكيف مع مجموعة واسعة من الضغوط ودرجات الحرارة تبسط تصميم العملية وتكاملها. ومع ذلك، لا تزال التحديات قائمة في استخدام الفواصل فوق الصوتية لـ الفصل. تشمل هذه التحديات استهلاك الطاقة العالي بسبب انخفاضات الضغط الكبيرة والضغوط المدخلة المرتفعة، ومعدلات استرداد محدودة لـ تلتقط فقط القطرات المكثفة، وتأثيرات الشوائب المحتملة على الخصائص الديناميكية الحرارية، وتحدي التكامل مع تقنيات الفصل الأخرى، مما قد يضيف تعقيدًا وتكلفة. يتطلب تنفيذ الفواصل فوق الصوتية في العمليات الصناعية فهمًا شاملاً لكل من الاعتبارات التصميمية العملية وتعقيدات تكامل العمليات. على الرغم من التحديات، فإن المزايا الفريدة للفواصل فوق الصوتية تبرز إمكانياتها، وتعد الأبحاث والتطوير المستمرة ضرورية لمعالجة القيود وتعزيز موثوقية هذه التكنولوجيا الناشئة، خاصة في التطبيقات الكبيرة والنفطية.

يعد الفصل فوق الصوتي، وهو عملية حيوية في الصناعات التي تعتمد على الفصل أو الترشيح الفعال لتيارات الغاز أو السائل عالية السرعة، يقدم فرصًا لمزيد من البحث والتطوير (R&D) لتجاوز الفجوات المعرفية والقيود الحالية. على الرغم من تحقيق خطوات كبيرة في تحسين أداء الفصل والتصميم، إلا أن هناك عدة مجالات تتطلب اهتمامًا لتحسين دقة التنبؤ والموثوقية، بالإضافة إلى معالجة التحديات المرتبطة بالتحقق التجريبي.

تحتاج تأثيرات المعلمات المختلفة مثل عدد منافذ المدخل، ونسب مساحة الغاز إلى السائل، وزوايا الانحراف، ودرجات حرارة المدخل، وزوايا المخرج للدوار إلى تحقيق شامل. هناك حاجة إلى مزيد من التحقق التجريبي وتحسينات المحاكاة لتحديد تأثير هذه المتغيرات على ديناميات التدفق، وملفات السرعة، وكفاءة الفصل العامة.

تصميم وبناء مخروط التحويل، المسؤول عن توجيه التدفق إلى قناة إعادة التدفق، يواجه تحديات في تقليل الاضطرابات. هناك حاجة إلى أبحاث مستمرة لتحسين هيكل مخروط التحويل من أجل تحسين تكوينات التدفق وكفاءة الفصل.

كجزء من الجهود الرامية إلى تحسين دقة التنبؤ، يتم وصف مواضيع البحث المستقبلية، بما في ذلك تعديل الغاز العفوي.
نموذج معدل النواة لتحسين دقة التنبؤ. كما أن معدلات النواة ومعادلات نمو القطرات تحتاج إلى تصحيح لجيومترات وظروف مختلفة. بالإضافة إلى المعادلات المذكورة أعلاه، فإن ضغط التشبع ودرجة حرارة التشبع يتأثران بشكل كبير بالحرارة والضغط. في هذه المشاكل، عادة ما تصبح درجة الحرارة أقل من 273 كلفن. في هذه الحالة، لا تكون المعادلات العادية، وخاصة علاقات التشبع، قابلة للتطبيق.

على الرغم من العديد من الدراسات حول الفواصل فوق الصوتية، لا يزال من الضروري الحفاظ على أداء تنقية مرضٍ بسبب التدفق داخلها. يتطلب فهم مثل هذا النظام الديناميكي الحراري والديناميكا المائية التحدي تحسينات وتعديلات متفائلة في تطبيق تقنيات الديناميكا الحاسوبية. يُوصى بإجراء مزيد من التحقيقات والجهود لتقديم معادلات مناسبة لكل نطاق من درجات الحرارة والضغط؛ سيسهل ذلك تطوير نماذج دقيقة، خاصة عند محاولة التقاط صدمة التكثيف. بالإضافة إلى ذلك، يُقترح إجراء محاكاة متعددة المكونات لدراسة تأثيرات تركيز المكونات المختلفة على تدفق السوائل والديناميكا الحرارية.

في عملية الفصل في فاصل فوق صوتي تقليدي، يعتبر حدوث موجة الصدمة ظاهرة شائعة في قسم الفوهة المتوسعة قبل الدوامة. هذه الموجة مسؤولة عن الفصل الفعال لخليط الغاز. ومع ذلك، فإن قسم درجة الحرارة المنخفضة في النظام قصير نسبيًا مما يؤدي إلى تأثير تبريد غير كافٍ. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل كفاءة الفاصل. علاوة على ذلك، عندما يتدفق خليط الغاز تحت ظروف دون صوتية، فإنه يتعرض لتدفق دوامي غير فعال عند درجات الحرارة دون الصوتية. وذلك لأن التدفق الدوامي أقل استقرارًا تحت الظروف دون الصوتية. وبالتالي، يتم تقليل أداء الفاصل. لتحسين كفاءة الفاصل، من المهم زيادة طول قسم درجة الحرارة المنخفضة. سيعزز ذلك تأثير التبريد وفي النهاية يحسن أداء الفاصل. يجب أن يكون تصميم الفاصل قادرًا على التعامل مع ظروف التدفق دون الصوتية دون المساس بكفاءته. يمكن تحقيق ذلك من خلال دمج تصميم تدفق دوامي أكثر استقرارًا في النظام.

يمكن أن يؤدي تضمين نماذج الطور المنفصل في أدوات المحاكاة العددية إلى تحسين التنبؤات بشكل كبير من خلال محاكاة سلوك الجسيمات أو القطرات الفردية. البحث الإضافي ضروري لتعزيز دقة وموثوقية هذه النماذج، مما يسهم في فهم أعمق لآليات الفصل.

تقدم طرق الاقتران الثنائي، التي تجمع بين محاكاة الديناميكا الهوائية الحاسوبية والقياسات التجريبية، نهجًا شاملاً لفهم سلوك التدفق والجسيمات. من الضروري مواصلة التقدم في هذه التقنيات لتحقيق محاكاة عددية أكثر دقة.

يجب على الباحثين التركيز على تحسين الافتراضات وتقنيات تقدير المعلمات لزيادة موثوقية المحاكاة العددية بشكل عام.

يجب أن تركز جهود البحث والتطوير المستمرة على تعزيز تقنيات الفصل فوق الصوتي، مما يجعلها أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة وقابلة للتكيف مع ظروف التشغيل المتنوعة. يمكن أن تساعد الابتكارات في المواد والتصميم ودمج العمليات في تحسين كفاءة الفصل وتقليل استهلاك الطاقة. من أجل تحسين كفاءة وفعالية الفاصل فوق الصوتي الحالي، يجب تعديل هيكل الفاصل لنقل مكان حدوث الموجة الصدمية. من خلال فهم سلوك الغازات عند السرعات ودرجات الحرارة العالية، من الممكن تصميم فاصل يعظم فصل المكونات المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام أجهزة توليد الدوامة شائع في تصميمات الفواصل. ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من التحقيق لتحسين فعالية توليد الدوامة. يمكن استخدام أجهزة توليد الدوامة لإنشاء دوامة في تيار الغاز، مما يعزز الفصل من خلال دفع المكونات الأثقل نحو الحواف الخارجية بينما تبقى المكونات الأخف في المركز. من خلال تحسين تصميم وتشغيل هذه الأجهزة، يمكن تحسين الكفاءة العامة للفاصل بشكل كبير. بشكل عام، فإن الجمع بين هيكل الفاصل المعدل وأجهزة توليد الدوامة المحسنة لديه القدرة على تعزيز
كفاءة وفعالية الفواصل فوق الصوتية. من خلال تطبيق النظريات المتعلقة بديناميكا الغاز، ونقل الحرارة، وميكانيكا السوائل، من الممكن تصميم حلول مبتكرة تعالج تحديات فصل الغاز في مجموعة متنوعة من السياقات الصناعية.

معظم الغاز الذي يتم جمعه من رأس البئر هو بخار مشبع، مع وجود آثار فقط من الهيدروكربونات الثقيلة. في حالة ضخ الغاز مباشرة إلى الأنبوب، ستحدث المشاكل الثلاث التالية: (1) تقليل سعة الأنبوب وزيادة استهلاك الطاقة؛ (2) يحتوي الغاز الطبيعي على و التي تذوب في الماء وتشكل حمض، مما يسبب تآكل الأنابيب والمعدات؛ و(3) تتشكل الهيدرات البلورية عندما يتحد الماء والغاز، مما يتراكم داخل الأنبوب، ويقلل من كفاءة الغاز، مما يجعل إمدادات الغاز غير مستقرة، أو حتى يسد الأنابيب والمعدات، مما يسبب مشاكل في تخزينه أو نقله أو معالجته [237].

لذا فإن فصل الغاز عن الماء ضروري. تقليديًا، تم استخدام أربع طرق لإزالة الرطوبة: امتصاص المذيب، فصل الأغشية، الامتزاز الصلب، وفصل التكثيف. ومع ذلك، تأتي هذه الطرق مع العديد من العيوب، بما في ذلك التكاليف الأولية العالية واستخدام الطاقة، والحاجة إلى معدات باهظة الثمن. إن تطبيق فصل الصوت الفائق في تنقية الغاز واستخدام الغاز الطبيعي لهما آثار كبيرة على مجال علوم الطاقة والاحتراق.

يساعد الفصل فوق الصوتي في تحسين جودة الغاز الطبيعي المستخدم في عمليات الاحتراق. من خلال إزالة الشوائب، فإنه يمكّن من احتراق أكثر كفاءة ونظافة، مما يؤدي إلى تحسين تحويل الطاقة وتقليل الانبعاثات. وهذا يدفع التقدم في تقنيات الاحتراق ويساهم في تطوير أنظمة تحويل الطاقة الأكثر كفاءة وصديقة للبيئة.

يعتبر استخدام الغاز الطبيعي، جنبًا إلى جنب مع تقنيات تنقية الغاز الفعالة مثل الفصل فوق الصوتي، دورًا في الانتقال نحو مصادر الطاقة الأنظف. يمكن أن يعمل الغاز الطبيعي، بفضل كثافته الكربونية المنخفضة مقارنة بالفحم أو النفط، كوقود جسر خلال الانتقال إلى أنظمة الطاقة المتجددة. إن فهم آثار تنقية الغاز على علم الاحتراق يساعد في تطوير حلول الطاقة المستدامة.

يساعد الفصل فوق الصوتي في تحقيق أهداف تقليل الانبعاثات من خلال تحسين جودة الغاز الطبيعي المستخدم في إنتاج الطاقة. يمكن لباحثي علوم الاحتراق استكشاف التفاعلات بين الغاز الطبيعي المنقى وعمليات الاحتراق لتحسين ظروف الاحتراق، وتقليل تكوين الملوثات، وزيادة كفاءة الطاقة بشكل عام. تدعم هذه المعرفة تطوير استراتيجيات التحكم في الانبعاثات وتساهم في تحسين جودة الهواء.

يقدم استخدام الغاز الطبيعي المنقى الذي يتم الحصول عليه من خلال الفصل فوق الصوتي مرونة في الوقود لمختلف أنظمة الاحتراق. يمكن للباحثين دراسة خصائص احتراق الغاز الطبيعي المنقى في تكوينات مختلفة للموقد والمحركات والتوربينات والعمليات الصناعية. يتيح ذلك تحسين معلمات الاحتراق وتطوير تقنيات احتراق مصممة خصيصًا لتحويل الطاقة بكفاءة ونظافة.

يجمع دمج الفصل فوق الصوتي مع تقنيات احتجاز وتخزين الكربون فرصًا إضافية لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة. من خلال إزالة الشوائب من الغاز الطبيعي قبل احتجاز الكربون، يمكن تعزيز كفاءة وفعالية تقنيات احتجاز الكربون وتخزينه. يتطلب هذا التكامل تعاونًا بين التخصصات بين علماء الاحتراق، ومهندسي العمليات، وخبراء احتجاز الكربون وتخزينه لتطوير أنظمة متكاملة لإنتاج الطاقة المحايدة للكربون.

فهم تداعيات الانفصال فوق الصوتي واستخدام الغاز الطبيعي على نظام الطاقة الكلي أمر بالغ الأهمية. يمكن لباحثي علوم الاحتراق المساهمة في تحليل النظام ودراسات التحسين، مع الأخذ في الاعتبار سلسلة إمداد الطاقة بأكملها، من استخراج الغاز الطبيعي إلى الاستخدام والتأثيرات البيئية. تساعد هذه المقاربة الشاملة في تحديد التآزر والمقايضات والفرص لتحسين كفاءة الطاقة العامة والاستدامة.

باختصار، فإن تطبيق الفصل فوق الصوتي في تنقية الغاز واستخدام الغاز الطبيعي له آثار عميقة على مجال علوم الطاقة والاحتراق. إن إزالة الرطوبة من الغاز الطبيعي من خلال استخدام فاصل دوار فوق صوتي هي تقنية تجارية جديدة واعدة. تمتد هذه الآثار عبر تقنيات الاحتراق، واستراتيجيات تقليل الانبعاثات، ومرونة الوقود، والتكامل مع احتجاز الكربون، والتحليل على مستوى النظام. تدفع الأبحاث المستمرة والتعاون في هذه المجالات التقدم نحو أنظمة تحويل الطاقة الأكثر نظافة وكفاءة.

في الختام، لا يمكن المبالغة في أهمية الفصل فوق الصوتي في تنقية الغاز واستخدام الغاز الطبيعي. هذه العمليات لها تداعيات اقتصادية وبيئية وتكنولوجية كبيرة. يحسن الفصل فوق الصوتي جودة الغاز الطبيعي من خلال إزالة الشوائب، مما يؤدي إلى احتراق أكثر كفاءة، وتقليل الانبعاثات، وتعزيز تحويل الطاقة. لقد اكتسبت الفواصل فوق الصوتية شعبية في عملية تجفيف الغاز الطبيعي، لا سيما في التحكم في نقاط الندى للماء والهيدروكربونات. تجمع هذه الأجهزة بين عمليات التكثيف والفصل، وتعمل مثل الضواغط التوربينية، لإزالة الماء والشوائب من الغاز الطبيعي بكفاءة. يوفر استخدام الفواصل فوق الصوتية في تجفيف الغاز الطبيعي العديد من المزايا، بما في ذلك الكفاءة العالية، والجدوى الاقتصادية، واستهلاك الطاقة المنخفض. تجعل أحجامها ووزنها الأصغر مناسبة للعمليات البحرية، وجاذبيتها البيئية تروق للشركات التي تركز على الاستدامة. بالإضافة إلى ذلك، فإن غياب الأجزاء الدوارة يسمح بالتشغيل بدون طاقم، وهو أمر مفيد في المنشآت البحرية. بشكل عام، توفر الفواصل فوق الصوتية حلاً فعالاً وكفؤاً لتجفيف الغاز الطبيعي ومن المتوقع أن تستمر في النمو في شعبيتها في الصناعة.

إسماعيل لاكزيان: التصور، تنظيم البيانات، التحليل الرسمي، الحصول على التمويل، كتابة المسودة الأصلية. شيمة يزداني: تنظيم البيانات، التحليل الرسمي، التحقيق، كتابة المسودة الأصلية. فهيمة سلماني: تنظيم البيانات، التحليل الرسمي، كتابة المراجعة والتحرير. أوميد مهيان: التحليل الرسمي، كتابة المراجعة والتحرير. هيوي دونغ كيم: الحصول على التمويل، الإشراف، كتابة المراجعة والتحرير. محمد غلمباز: التحليل الرسمي، كتابة المراجعة والتحرير. هونغبينغ دينغ: تنظيم البيانات، التحليل الرسمي، المنهجية، كتابة المراجعة والتحرير. يان يانغ: التصور، تنظيم البيانات، التحليل الرسمي، الحصول على التمويل، المنهجية، الإشراف، كتابة المراجعة والتحرير، إدارة المشروع. بو لي: التحليل الرسمي، المنهجية، كتابة المراجعة والتحرير. تشوانغ وين: التصور، تنظيم البيانات، التحليل الرسمي، الحصول على التمويل، التحقيق، المنهجية، إدارة المشروع، الإشراف، كتابة المراجعة والتحرير.

يعلن المؤلفون أنهم ليس لديهم أي مصالح مالية متنافسة معروفة أو علاقات شخصية قد تبدو أنها تؤثر على العمل المبلغ عنه في هذه الورقة.

ستكون البيانات متاحة عند الطلب.

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل برنامج Brain Pool الممول من وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات من خلال مؤسسة البحث الوطنية الكورية (رقم المنحة). (NRF-2022H1D3A2A02090885) ومجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية [رقم المنحة]

EP/X027147/1].

[1] Ding H, Zhang Y, Yang Y, Wen C. A modified Euler-Lagrange-Euler approach for modelling homogeneous and heterogeneous condensing droplets and films in supersonic flows. Int J Heat Mass Tran 2023;200:123537. https://doi.org/10.101 6/j.ijheatmasstransfer.2022.123537.
[2] Bian J, Cao X, Yang W, Edem MA, Yin P, Jiang W. Supersonic liquefaction properties of natural gas in the Laval nozzle. Energy 2018;159:706-15. https:// doi.org/10.1016/j.energy.2018.06.196.
[3] Wen C, Karvounis N, Walther JH, Yan Y, Feng Y, Yang Y. An efficient approach to separate CO2 using supersonic flows for carbon capture and storage. Appl Energy 2019;238:311-9. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.01.062.
[4] Wen C, Cao X, Yang Y, Li W. Numerical simulation of natural gas flows in diffusers for supersonic separators. Energy 2012;37(1):195-200. https://doi.org/ 10.1016/j.energy.2011.11.047.
[5] Cao X, Bian J. Supersonic separation technology for natural gas processing: a review. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification 2019;136: 138-51. https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.01.007.
[6] Brethomé FM, Williams NJ, Seipp CA, Kidder MK, Custelcean R. Direct air capture of CO2 via aqueous-phase absorption and crystalline-phase release using concentrated solar power. Nat Energy 2018;3(7):553-9. https://doi.org/ 10.1038/s41560-018-0150-z.
[7] Theo WL, Lim JS, Hashim H, Mustaffa AA, Ho WS. Review of pre-combustion capture and ionic liquid in carbon capture and storage. Appl Energy 2016;183: 1633-63. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.09.103.
[8] Bains P, Psarras P, Wilcox J. CO 2 capture from the industry sector. Prog Energy Combust Sci 2017;63:146-72. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.07.001.
[9] Liu Q, et al. A review of the gas hydrate phase transition with a microfluidic approach. Energy Rev 2023;2(1). https://doi.org/10.1016/j.enrev.2022.100011.
[10] Mokhatab S, Poe WA, Mak JY. Natural gas dehydration. In: Handbook of natural gas transmission and processing; 2015. p. 223-63.
[11] Brouwer JM, Epsom HD. Twister supersonic gas conditioning for unmanned platforms and subsea gas processing. In: SPE Offshore Europe Oil and Gas Exhibition and Conference, September 2-5. Aberdeen, United Kingdom. Paper Number: SPE-83977-MS; 2003. https://doi.org/10.2118/83977-MS.
[12] Ding H, Zhang Y, Dong Y, Wen C, Yang Y. High-pressure supersonic carbon dioxide (CO2) separation benefiting carbon capture, utilisation and storage (CCUS) technology. Appl Energy 2023;339. https://doi.org/10.1016/j. apenergy.2023.120975.
[13] Bian J, Jiang W, Teng L, Liu Y, Wang S, Deng Z. Structure improvements and numerical simulation of supersonic separators. Chem Eng Process: Process Intensif 2016;110:214-9. https://doi.org/10.1016/j.cep.2016.10.012.
[14] Garrett R, Oehlschlager W, Tomich J. Vapor-liquid separation at supersonic velocities. 1968.
[15] Wyslouzil BE, Heath CH, Cheung JL, Wilemski G. Binary condensation in a supersonic nozzle. J Chem Phys 2000;113(17):7317-29. https://doi.org/ 10.1063/1.1312274.
[16] Heath CH, Streletzky K, Wyslouzil BE, Wölk J, Strey R. condensation in a supersonic nozzle. J Chem Phys 2002;117(13):6176-85. https://doi.org/ 10.1063/1.1502644.
[17] Hengwei L, Zhongliang L, Jian Z, Keyu G, Tingmin Y. A new type of dehydration unit of natural gas and its design considerations. Prog Nat Sci 2005;15(12): 1148-52. https://doi.org/10.1080/10020070512331343198.
[18] Qingfen M, et al. Performance of inner-core supersonic gas separation device with droplet enlargement method. Chin J Chem Eng 2009;17(6):925-33.
[19] Haghighi M. Supersonic separators: a gas dehydration device. Memorial University of Newfoundland; 2010.
[20] Wen C, Cao X, Yang Y, Zhang J. Swirling effects on the performance of supersonic separators for natural gas separation. Chem Eng Technol 2011;34(9):1575-80. https://doi.org/10.1002/ceat.201100095.
[21] Wen C, Cao X, Yang Y, Zhang J. Evaluation of natural gas dehydration in supersonic swirling separators applying the Discrete Particle Method. Adv Powder Technol 2012;23(2):228-33.
[22] Liu X, Liu Z, Li Y. Investigation on separation efficiency in supersonic separator with gas-droplet flow based on DPM approach. Separ Sci Technol 2014;49(17): 2603-12.
[23] Ahmad Samawe R, Rostani K, Mohd Jalil A, Esa M, Othman N. Concept proofing of supersonic nozzle separator for CO2 separation from natural gas using a flow loop. Presented at the offshore technology conference-asia. 2014.
[24] Bian J, Cao X, Yang W, Guo D, Xiang C. Prediction of supersonic condensation process of methane gas considering real gas effects. Appl Therm Eng 2020;164. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114508.
[25] Dingilian KK, Halonen R, Tikkanen V, Reischl B, Vehkamäki H, Wyslouzil BE. Homogeneous nucleation of carbon dioxide in supersonic nozzles I: experiments and classical theories. Phys Chem Chem Phys 2020;22(34):19282-98.
[26] Jones I, et al. The use of coupled solvers for complex multi-phase and reacting flows. In: Proceedings of the third international conference on CFD in the minerals and process industries; 2003. 13e20.
[27] Prast B, Lammers B, Betting M. CFD for supersonic gas processing. In: NEL multiphase separation and multiphase pumping technologies conference; 2005. p. 53-8.
[28] Jassim E, Abdi MA, Muzychka Y. Computational fluid dynamics study for flow of natural gas through high-pressure supersonic nozzles: Part 2. Nozzle geometry
and vorticity. Petrol Sci Technol 2008;26(15):1773-85. https://doi.org/10.1080/ 10916460701304410.
[29] Liu Z, Ding J, Jiang W, Zhang J, Feng Y. Numerical simulation of highly-swirling supersonic flow inside a Laval nozzle. Progress in Computational Fluid Dynamics, An International Journal 2008;8(7/8). https://doi.org/10.1504/ pcfd.2008.021332.
[30] Netusil M., Ditl P. Natural gas dehydration. Natural gas – extraction to end use; 2012. ch. [Chapter 1]. http://dx.doi.org/10.5772/45802.
[31] Hammer M, Wahl PE, Anantharaman R, Berstad D, Lervåg KY. CO2 capture from off-shore gas turbines using supersonic gas separation. Energy Proc 2014;63: 243-52. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.026.
[32] Cao X, Yang W. Numerical simulation of binary-gas condensation characteristics in supersonic nozzles. J Nat Gas Sci Eng 2015;25:197-206. https://doi.org/ 10.1016/j.jngse.2015.05.005.
[33] Niknam PH, Fiaschi D, Mortaheb HR, Mokhtarani B. An improved formulation for speed of sound in two-phase systems and development of 1D model for supersonic nozzle. Fluid Phase Equil 2017;446:18-27. https://doi.org/10.1016/j. fluid.2017.05.013.
[34] Niknam PH, Mortaheb HR, Mokhtarani B. Effects of fluid type and pressure order on performance of convergent-divergent nozzles: an efficiency model for supersonic separation. Asia Pac J Chem Eng 2018;13(2). https://doi.org/ 10.1002/apj. 2181.
[35] Bian J, Jiang W, Hou D, Liu Y, Yang J. Condensation characteristics of CH 4 -CO 2 mixture gas in a supersonic nozzle. Powder Technol 2018;329:1-11. https://doi. org/10.1016/j.powtec.2018.01.042.
[36] Bian J, Cao X, Teng L, Sun Y, Gao S. Effects of inlet parameters on the supersonic condensation and swirling characteristics of binary natural gas mixture. Energy 2019;188. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116082.
[37] Niknam PH, Fiaschi D, Mortaheb HR, Mokhtarani B. Numerical investigation of multiphase flow in supersonic separator considering inner body effect. Asia Pac J Chem Eng 2019;14(6):e2380.
[38] Halonen R, Tikkanen V, Reischl B, Dingilian KK, Wyslouzil BE, Vehkamäki H. Homogeneous nucleation of carbon dioxide in supersonic nozzles II: molecular dynamics simulations and properties of nucleating clusters. Phys Chem Chem Phys 2021;23(8):4517-29. https://doi.org/10.1039/d0cp05653g.
[39] Liu Y, Cao X, Yang J, Li Y, Bian J. Energy separation and condensation effects in pressure energy recovery process of natural gas supersonic dehydration. Energy Convers Manag 2021;245. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114557.
[40] Wiesberg IL, Arinelli LdO, Araújo OdQF, de Medeiros JL. Upgrading exergy utilization and sustainability via supersonic separators: offshore processing of carbonated natural gas. J Clean Prod 2021;310. https://doi.org/10.1016/j. jclepro.2021.127524.
[41] Ding H, Zhang Y, Sun C, Yang Y, Wen C. Numerical simulation of supersonic condensation flows using Eulerian-Lagrangian and Eulerian wall film models. Energy 2022;258. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124833.
[42] Chen J, Huang Z, Li A, Gao R, Jiang W, Xi G. Numerical simulation of carbon separation with shock waves and phase change in supersonic separators. Process Saf Environ Protect 2023;170:277-85. https://doi.org/10.1016/j. psep.2022.12.026.
[43] Liu Y, Cao X, Guo D, Cao H, Bian J. Influence of shock wave/boundary layer interaction on condensation flow and energy recovery in supersonic nozzle. Energy 2023;263:125662.
[44] Karimi A, Abdi MA. Selective dehydration of high-pressure natural gas using supersonic nozzles. Chem Eng Process: Process Intensif 2009;48(1):560-8. https://doi.org/10.1016/j.cep.2008.09.002.
[45] Speight JG. Production of hydrocarbons from natural gas. In: Handbook of industrial hydrocarbon processes; 2011. p. 127-62.
[46] Anvari S, Mahian O, Solomin E, Wongwises S, Desideri U. Multi-objective optimization of a proposed multi-generation cycle based on Pareto diagrams: performance improvement, cost reduction, and CO2 emissions. Sustain Energy Technol Assessments 2021;45. https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101197.
[47] Chai X, Tonjes DJ, Mahajan D. Methane emissions as energy reservoir: context, scope, causes and mitigation strategies. Prog Energy Combust Sci 2016;56:33-70. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2016.05.001.
[48] Yazdani S, Salimipour E, Moghaddam MS. A comparison between a natural gas power plant and a municipal solid waste incineration power plant based on an emergy analysis. J Clean Prod 2020;274. https://doi.org/10.1016/j. jclepro.2020.123158.
[49] Stram BN. Key challenges to expanding renewable energy. Energy Pol 2016;96: 728-34. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2016.05.034.
[50] Mahian O, Javidmehr M, Kasaeian A, Mohasseb S, Panahi M. Optimal sizing and performance assessment of a hybrid combined heat and power system with energy storage for residential buildings. Energy Convers Manag 2020;211. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112751.
[51] Burgers WFJ, Northrop PS, Kheshgi HS, Valencia JA. Worldwide development potential for sour gas. Energy Proc 2011;4:2178-84. https://doi.org/10.1016/j. egypro.2011.02.104.
[52] Teixeira AM, Arinelli LdO, de Medeiros JL, Araújo OdQF. Economic leverage affords post-combustion capture of of carbon emissions: supersonic separators for methanol hydrate inhibitor recovery from raw natural gas and CO2 drying. J Environ Manag 2019;236:534-50. https://doi.org/10.1016/j. jenvman.2019.02.008.
[53] de Andrade Cruz M, de Queiroz Fernandes Araújo O, de Medeiros JL. Deep seawater intake for primary cooling in tropical offshore processing of natural gas with high carbon dioxide content: energy, emissions and economic assessments.

J Nat Gas Sci Eng 2018;56:193-211. https://doi.org/10.1016/j. jngse.2018.06.011.
[54] Kheshgi HS, Prince RC. Sequestration of fermentation CO2 from ethanol production. Energy 2005;30(10):1865-71. https://doi.org/10.1016/j. energy.2004.11.004.
[55] Xu Y, Isom L, Hanna MA. Adding value to carbon dioxide from ethanol fermentations. Bioresour Technol 2010;101(10):3311-9. https://doi.org/ 10.1016/j.biortech.2010.01.006.
[56] Arinelli LdO, Teixeira AM, de Medeiros JL, Araújo OdQF. Supersonic separator for cleaner offshore processing of natural gas with high carbon dioxide content: environmental and economic assessments. J Clean Prod 2019;233:510-21. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.06.115.
[57] Araújo OdQF, Reis AdC, de Medeiros JL, Nascimento JFd, Grava WM, Musse APS. Comparative analysis of separation technologies for processing carbon dioxide rich natural gas in ultra-deepwater oil fields. J Clean Prod 2017;155:12-22. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.06.073.
[58] Reis AdC, de Medeiros JL, Nunes GC, Araújo OdQF. Upgrading of natural gas ultra-rich in carbon dioxide: optimal arrangement of membrane skids and polishing with chemical absorption. J Clean Prod 2017;165:1013-24. https://doi. org/10.1016/j.jclepro.2017.07.198.
[59] de Carvalho Reis A, de Medeiros JL, Nunes GC, Araújo OdQF. Lifetime oriented design of natural gas offshore processing for cleaner production and sustainability: high carbon dioxide content. J Clean Prod 2018;200:269-81. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.07.271.
[60] Anwar MN, et al. CO2 capture and storage: a way forward for sustainable environment. J Environ Manag 2018;226:131-44. https://doi.org/10.1016/j. jenvman.2018.08.009.
[61] Wang S, Wang C, Ding H, Zhang Y, Dong Y, Wen C. Joule-Thomson effect and flow behavior for energy-efficient dehydration of high-pressure natural gas in supersonic separator. Energy 2023;279. https://doi.org/10.1016/j. energy.2023.128122.
[62] Brigagão GV, Arinelli LdO, de Medeiros JL, Araújo OdQF. Low-pressure supersonic separator with finishing adsorption: higher exergy efficiency in air pre-purification for cryogenic fractionation. Separ Purif Technol 2020;248. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.116969.
[63] K. A. A. A promising method of liquid separation in orbital station’s life support systems. Acta Astronaut 2012;80:40-5. https://doi.org/10.1016/j. actaastro.2012.05.003.
[64] Wen C, Cao X, Yang Y, Feng Y. Prediction of mass flow rate in supersonic natural gas processing. Oil & Gas Science and Technology – Revue d’IFP Energies nouvelles 2014;70(6):1101-9. https://doi.org/10.2516/ogst/2013197.
[65] Shooshtari SHR, Shahsavand A. Maximization of energy recovery inside supersonic separator in the presence of condensation and normal shock wave. Energy 2017;120:153-63. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.12.060.
[66] Hashim SA, Dharmalingam S. Design of smooth supersonic nozzle profile using method of characteristics. Presented at the contemporary innovations in engineering and management. 2023.
[67] Mon KO, Lee C. Optimal design of supersonic nozzle contour for altitude test facility. J Mech Sci Technol 2012;26(8):2589-94. https://doi.org/10.1007/ s12206-012-0634-x.
[68] Oswatitsch K. Kondensationserscheinungen in überschalldüsen. ZAMM Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik 1942;22(1):1-14. https:// doi.org/10.1002/zamm. 19420220102.
[69] Wu BJC, Wegener PP, Stein GD. Homogeneous nucleation of argon carried in helium in supersonic nozzle flow. J Chem Phys 1978;69(4):1776-7. https://doi. org/10.1063/1.436711.
[70] Wegener PP, Wu BJC. Homogeneous and binary nucleation: new experimental results and comparison with theory. Faraday Discuss Chem Soc 1976;61. https:// doi.org/10.1039/dc9766100077.
[71] Zhang W, Wang D, Renganathan A, Zhang H. Modeling and assessment of twophase transonic steam flow with condensation through the convergent-divergent nozzle. Nucl Eng Des 2020;364. https://doi.org/10.1016/j. nucengdes.2020.110632.
[72] Wyslouzil BE, Wölk J. Overview: homogeneous nucleation from the vapor phase-the experimental science. J Chem Phys 2016;145(21). https://doi.org/ 10.1063/1.4962283.
[73] Brigagão GV, Arinelli LdO, de Medeiros JL, Araújo OdQF. A new concept of air pre-purification unit for cryogenic separation: low-pressure supersonic separator coupled to finishing adsorption. Separ Purif Technol 2019;215:173-89. https:// doi.org/10.1016/j.seppur.2019.01.015.
[74] de Medeiros JL, de Oliveira Arinelli L, Teixeira AM, Araújo OdQF. Offshore processing of CO2-rich natural gas with supersonic separator. 2019.
[75] Yang Y, Wen C, Wang S, Feng Y. Theoretical and numerical analysis on pressure recovery of supersonic separators for natural gas dehydration. Appl Energy 2014; 132:248-53. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.07.018.
[76] Niknam PH, Mortaheb HR, Mokhtarani B. Optimization of dehydration process to improve stability and efficiency of supersonic separation. J Nat Gas Sci Eng 2017; 43:90-5. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2017.03.017.
[77] Machado PB, Monteiro JGM, Medeiros JL, Epsom HD, Araujo OQF. Supersonic separation in onshore natural gas dew point plant. J Nat Gas Sci Eng 2012;6:43-9. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2012.03.001.
[78] Arinelli LdO, Trotta TAF, Teixeira AM, de Medeiros JL, Araújo OdQF. Offshore processing of CO2 rich natural gas with supersonic separator versus conventional routes. J Nat Gas Sci Eng 2017;46:199-221. https://doi.org/10.1016/j. jngse.2017.07.010.
[79] Wang Y, Yu Y, Hu D. Experimental investigation and numerical analysis of separation performance for supersonic separator with novel drainage structure and reflux channel. Appl Therm Eng 2020;176:115111.
[80] Cao X, Yang W. The dehydration performance evaluation of a new supersonic swirling separator. J Nat Gas Sci Eng 2015;27:1667-76. https://doi.org/10.1016/ j.jngse.2015.10.029.
[81] Niknam PH, Mortaheb HR, Mokhtarani B. Dehydration of low-pressure gas using supersonic separation: experimental investigation and CFD analysis. J Nat Gas Sci Eng 2018;52:202-14. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2017.12.007.
[82] Wyslouzil BE, Wilemski G, Beals M, Frish MB. Effect of carrier gas pressure on condensation in a supersonic nozzle. Phys Fluids 1994;6(8):2845-54.
[83] Ji L, Zhao Q, Deng H, Zhang L, Deng W. Experimental study on a new combined gas-liquid separator. Processes 2022;10(7):1416.
[84] Jassim EI. Geometrical impaction of supersonic nozzle on the dehumidification performance during gas purification process: an experimental study. Arabian J Sci Eng 2019;44(2):1057-67.
[85] Chernova A. Development of a thermodynamic model of mixtures in a supersonic separator with intermediate condensation. 2022.
[86] Alnoush, W. J. O. A. Shortcut modeling of natural gas supersonic separation. Master Thesis, 16 November 2018, https://hdl.handle.net/1969.1/174536.
[87] Eriqitai, Han J, Duan R, Wu M. Performance of dual-throat supersonic separation device with porous wall structure. Chin J Chem Eng 2014;22(4):370-82. https:// doi.org/10.1016/s1004-9541(14)60065-3.
[88] Castier M. Modeling and simulation of supersonic gas separations. J Nat Gas Sci Eng 2014;18:304-11. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2014.03.014.
[89] Shooshtari SHR, Walther JH, Wen C. Combination of genetic algorithm and CFD modelling to develop a new model for reliable prediction of normal shock wave in supersonic flows contributing to carbon capture. Separ Purif Technol 2023;309: 122878.
[90] Niknam PH, Mokhtarani B, Mortaheb HR. Prediction of shockwave location in supersonic nozzle separation using self-organizing map classification and artificial neural network modeling. J Nat Gas Sci Eng 2016;34:917-24. https:// doi.org/10.1016/j.jngse.2016.07.061.
[91] Arinelli LdO, et al. Carbon capture and high-capacity supercritical fluid processing with supersonic separator: natural gas with ultra-high content. J Nat Gas Sci Eng 2019;66:265-83. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2019.04.004.
[92] Castier M. Effect of side streams on supersonic gas separations. J Nat Gas Sci Eng 2016;35:299-308. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.08.065.
[93] Liu X, Liu Z, Li Y. Numerical study of the high speed compressible flow with nonequilibrium condensation in a supersonic separator. Journal of Clean Energy Technologies 2015;3(5):360-6. https://doi.org/10.7763/jocet.2015.V3.224.
[94] Liu X, Liu Z, Wu H. Flow behavior analysis of the cyclone back-placed supersonic separator. JB Univ. Technol. 2014;40:1394-401.
[95] Matsuo S, Setoguchi T, Yu S, Matsuo K. Effect of nonequilibrium condensation of moist air on the boundary layer in a supersonic nozzle. J Therm Sci 1997;6(4): 260-72. https://doi.org/10.1007/s11630-997-0005-6.
[96] Dengyu J, Eri Q, Wang C, Liu H, Yuan Y. A fast and efficiency numerical simulation method for supersonic gas processing. Presented at the all days. 2010.
[97] Salikaev DA, Gumerov OA. Study of supersonic separation of associated petroleum gas using unisim design R400. Oil and Gas Business 2016;(2):151-89. https://doi.org/10.17122/ogbus-2016-2-151-189.
[98] Simpson DA, White AJ. Viscous and unsteady flow calculations of condensing steam in nozzles. Int J Heat Fluid Flow 2005;26(1):71-9. https://doi.org/ 10.1016/j.ijheatfluidflow.2004.04.002.
[99] Vijayakumaran H, Lemma TA. CFD modelling of non-equilibrium condensation of within a supersonic nozzle using metastability approach. J Nat Gas Sci Eng 2021;85. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2020.103715.
[100] Ahmed T. Reservoir engineering handbook. Gulf professional publishing; 2018.
[101] Fatoorehchi H, Abolghasemi H, Rach R. An accurate explicit form of the Hankinson-Thomas-Phillips correlation for prediction of the natural gas compressibility factor. J Petrol Sci Eng 2014;117:46-53.
[102] Fatoorehchi H, Abolghasemi H, Rach R, Assar M. An improved algorithm for calculation of the natural gas compressibility factor via the Hall-Yarborough equation of state. Can J Chem Eng 2014;92(12):2211-7.
[103] Arina R. Numerical simulation of near-critical fluids. Appl Numer Math 2004;51 (4):409-26. https://doi.org/10.1016/j.apnum.2004.06.002.
[104] Molleson GV, Stasenko AL. An axisymmetric flow of a mixture of real gases with a condensing component. High Temp 2005;43(3):419-28. https://doi.org/ 10.1007/s10740-005-0080-x.
[105] Nichita DV, Khalid P, Broseta D. Calculation of isentropic compressibility and sound velocity in two-phase fluids. Fluid Phase Equil 2010;291(1):95-102. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2009.12.022.
[106] Firoozabadi A, Pan H. Two-phase isentropic compressibility and two-phase sonic velocity for multicomponent-hydrocarbon mixtures. SPE Reservoir Eval Eng 2000;3(4):335-41. https://doi.org/10.2118/65403-pa.
[107] Castier M. Thermodynamic speed of sound in multiphase systems. Fluid Phase Equil 2011;306(2):204-11. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2011.04.002.
[108] Secchi R, Innocenti G, Fiaschi D. Supersonic Swirling Separator for natural gas heavy fractions extraction: 1D model with real gas EOS for preliminary design. J Nat Gas Sci Eng 2016;34:197-215. https://doi.org/10.1016/j. jngse.2016.06.061.
[109] Kunz O, Wagner W. The GERG-2008 wide-range equation of state for natural gases and other mixtures: an expansion of GERG-2004. J Chem Eng Data 2012;57 (11):3032-91.
[110] Starling KE, Savidge JL. Compressibility factors of natural gas and other related hydrocarbon gases. AGA, American Gas Association 1992.
[111] Robinson DB, Peng D-Y, Chung SY. The development of the Peng-Robinson equation and its application to phase equilibrium in a system containing methanol. Fluid Phase Equil 1985;24(1-2):25-41.
[112] Kunz O, Klimeck R, Wagner W, Jaeschke M. The GERG-2004 wide-range equation of state for natural gases and other mixtures. 2007.
[113] Varzandeh F, Stenby EH, Yan W. Comparison of GERG-2008 and simpler EoS models in calculation of phase equilibrium and physical properties of natural gas related systems. Fluid Phase Equil 2017;434:21-43.
[114] Baladão L, Fernandes P. Comparison of the GERG-2008 and Peng-Robinson equations of state for natural gas mixtures. Int J Eng Res Afr 2018;8(10).
[115] Azzini L, Pini M. Numerical investigation of high pressure condensing flows in supersonic nozzles. In: Journal of Physics: conference series, vol. 821. IOP Publishing; 2017, 012008.
[116] Kadota T, Yamasaki H. Recent advances in the combustion of water fuel emulsion. Prog Energy Combust Sci 2002;28(5):385-404. https://doi.org/10.1016/s0360-1285(02)00005-9.
[117] Aghdasi MR, Teymourtash AR, Lakzian E. Optimization of the pitch to chord ratio for a cascade turbine blade in wet steam flow. Appl Therm Eng 2022;211. https:// doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118445.
[118] Vijayakumaran H, Lemma TA. Simulation of swirling wet steam flow through a supersonic nozzle. https://doi.org/10.1063/1.5075558.
[119] Ochi Y, et al. Phase separation of polymer mixtures induced by light and heat: a comparative study by light scattering. Adv Nat Sci Nanosci Nanotechnol 2015;6 (4). https://doi.org/10.1088/2043-6262/6/4/045002.
[120] Brazhkin V. Metastable phases and ‘metastable’ phase diagrams. J Phys Condens Matter 2006;18(42):9643.
[121] Kaplun A, Meshalkin A. Calculation of thermodynamic properties of substances in metastable and labile regions of real gas states. J Eng Thermophys 2007;16(4): 259-69.
[122] Gyarmathy G. Nucleation of steam in high-pressure nozzle experiments. Proc Inst Mech Eng A J Power Energy 2005;219(6):511-21.
[123] Duff KM. Condensation of carbon dioxide in supersonic nozzles. Massachusetts Institute of Technology; 1964.
[124] Baltadjiev ND, Lettieri C, Spakovszky ZS. An investigation of real gas effects in supercritical centrifugal compressors. J Turbomach 2015;137(9):091003.
[125] Wen C, Karvounis N, Walther JH, Ding H, Yang Y. Non-equilibrium condensation of water vapour in supersonic flows with shock waves. Int J Heat Mass Tran 2020; 149. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119109.
[126] Utkin PS, Sidorenko DA, Boiko VM. Dynamics of motion of a pair of particles in a supersonic flow. Shock Waves 2021;31(6):571-82. https://doi.org/10.1007/ s00193-021-01042-6.
[127] Ligrani PM, McNabb ES, Collopy H, Anderson M, Marko SM. Recent investigations of shock wave effects and interactions. Advances in Aerodynamics 2020;2(1). https://doi.org/10.1186/s42774-020-0028-1.
[128] Ameli A, Afzalifar A, Turunen-Saaresti T. Non-equilibrium condensation of supercritical carbon dioxide in a converging-diverging nozzle. In: Journal of Physics: conference series, vol. 821. IOP Publishing; 2017, 012025.
[129] Lettieri C, Paxson D, Spakovszky Z, Bryanston-Cross P. Characterization of nonequilibrium condensation of supercritical carbon dioxide in a de laval nozzle. J Eng Gas Turbines Power 2018;140(4):041701.
[130] Md Jalil A, Rostani K, Ahmad Samawe R, Othman N, Esa M. Influence of CO2 nucleation rate towards cryogenic separation technologies in bulk CO2 separation from natural gas. In: Offshore technology conference asia. OTC; 2014. OTC-25049-MS.
[131] Lettieri C, Yang D, Spakovszky Z. An investigation of condensation effects in supercritical carbon dioxide compressors. J Eng Gas Turbines Power 2015;137(8): 082602.
[132] Paxson D, Lettieri C, Spakovszky S, Bryaston-Cross P. Experimental assessment of thermodynamic properties for metastable . The Fifth International Symposium-Supercritical CO 2016;2:28-31.
[133] Kukushkin SA, Osipov AV. Kinetics of thin film nucleation from multi-component vapor. J Phys Chem Solid 1995;56(6):831-8. https://doi.org/10.1016/0022-3697(95)80022-0.
[134] Hosseini SA, Aghdasi MR, Lakzian E, Kim HD. Multi-objective optimization of the effects of superheat degree and blade pitch on the wet steam parameters. Int J Heat Mass Tran 2023;213. https://doi.org/10.1016/j. ijheatmasstransfer.2023.124337.
[135] Noppel M, Vehkamäki H, Winkler PM, Kulmala M, Wagner PE. Heterogeneous nucleation in multi-component vapor on a partially wettable charged conducting particle. I. Formulation of general equations: electrical surface and line excess quantities. J Chem Phys 2013;139(13). https://doi.org/10.1063/1.4822046.
[136] Ebrahimi-Fizik A, Lakzian E, Hashemian A. Entropy generation analysis of wetsteam flow with variation of expansion rate using NURBS-based meshing technique. Int J Heat Mass Tran 2019;139:399-411. https://doi.org/10.1016/j. ijheatmasstransfer.2019.05.010.
[137] Taqieddin A, Allshouse MR, Alshawabkeh AN. Critical Review-Mathematical formulations of electrochemically gas-evolving systems. J Electrochem Soc 2018; 165(13):E694. https://doi.org/10.1149/2.0791813jes.
[138] Wiśniewski P, Majkut M, Dykas S, Smołka K, Zhang G, Pritz B. Selection of a steam condensation model for atmospheric air transonic flow prediction. Appl Therm Eng 2022;203. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117922.
[139] Dolatabadi AM, Masoumi S, Lakzian E. Optimization variables of the injection of hot-steam into the non-equilibrium condensing flow using TOPSIS method. Int Commun Heat Mass Tran 2021;129. https://doi.org/10.1016/j. icheatmasstransfer.2021.105674.
[140] Ding H, Li Y, Lakzian E, Wen C, Wang C. Entropy generation and exergy destruction in condensing steam flow through turbine blade with surface roughness. Energy Convers Manag 2019;196:1089-104. https://doi.org/ 10.1016/j.enconman.2019.06.066.
[141] Horsch M, et al. Homogeneous nucleation in supersaturated vapors of methane, ethane, and carbon dioxide predicted by brute force molecular dynamics. J Chem Phys 2008;128(16). https://doi.org/10.1063/1.2907849.
[142] Dumitrescu LR, Smeulders DMJ, Dam JAM, Gaastra-Nedea SV. Homogeneous nucleation of water in argon. Nucleation rate computation from molecular simulations of TIP4P and TIP4P/2005 water model. J Chem Phys 2017;146(8). https://doi.org/10.1063/1.4975623.
[143] Chkonia G, Wölk J, Strey R, Wedekind J, Reguera D. Evaluating nucleation rates in direct simulations. J Chem Phys 2009;130(6). https://doi.org/10.1063/ 1.3072794.
[144] Ayuba S, Suh D, Nomura K, Ebisuzaki T, Yasuoka K. Kinetic analysis of homogeneous droplet nucleation using large-scale molecular dynamics simulations. J Chem Phys 2018;149(4). https://doi.org/10.1063/1.5037647.
[145] Yasuoka K, Matsumoto M. Molecular dynamics of homogeneous nucleation in the vapor phase. II. Water. J Chem Phys 1998;109(19):8463-70. https://doi.org/ 10.1063/1.477510.
[146] Horsch M, Lin Z, Windmann T, Hasse H, Vrabec J. The air pressure effect on the homogeneous nucleation of carbon dioxide by molecular simulation. Atmos Res 2011;101(3):519-26. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2010.10.016.
[147] Cao H, et al. Nucleation and condensation characteristics of carbon dioxide in natural gas: a molecular simulation perspective. Fuel 2023;342. https://doi.org/ 10.1016/j.fuel.2023.127761.
[148] Hoseinzade D, Lakzian E, Hashemian A. A blackbox optimization of volumetric heating rate for reducing the wetness of the steam flow through turbine blades. Energy 2021;220. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119751.
[149] Dolatabadi AM, Lakzian E, Heydari M, Khan A. A modified model of the suction technique of wetness reducing in wet steam flow considering power-saving. Energy 2022;238. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121685.
[150] Wiśniewski P, Dykas S, Miyazawa H, Furusawa T, Yamamoto S. Modified heat transfer correction function for modeling multiphase condensing flows in transonic regime. Int J Heat Mass Tran 2023;201. https://doi.org/10.1016/j. ijheatmasstransfer.2022.123597.
[151] Lakzian E, et al. Investigation of the effect of water droplet injection on condensation flow of different nozzles geometry. The European Physical Journal Plus 2022;137(5). https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-022-02812-6.
[152] Dadpour D, Lakzian E, Gholizadeh M, Ding H, Han X. Numerical modeling of droplets injection in the secondary flow of the wet steam ejector in the refrigeration cycle. Int J Refrig 2022;136:103-13. https://doi.org/10.1016/j. ijrefrig.2022.01.026.
[153] Kafaei A, Salmani F, Lakzian E, Wróblewski W, Vlaskin MS, Deng Q. The best angle of hot steam injection holes in the 3D steam turbine blade cascade. Int J Therm Sci 2022;173. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2021.107387.
[154] Lakzian E, Yazdani S, Lee BJ. Passive control optimization of condensation flow in steam turbine blades. Int J Mech Sci 2023;237. https://doi.org/10.1016/j. ijmecsci.2022.107804.
[155] Yazdani S, Lakzian E. Numerical simulation and passive control of condensing flow through turbine blade by NVD Method Using Eulerian-Lagrangian Model. Comput Math Appl 2020;80(1):140-60. https://doi.org/10.1016/j. camwa.2020.03.007.
[156] Ghodrati M, Lakzian E, Kafaei A, Yan WM, Kim HD. Numerical analysis of hot steam injection through an embedded channel inside a 3D steam turbine blade. Appl Therm Eng 2023;225. https://doi.org/10.1016/j. applthermaleng.2023.120229.
[157] Aliabadi MAF, Lakzian E, Jahangiri A, Khazaei I. Numerical investigation of effects polydispersed droplets on the erosion rate and condensation loss in the wet steam flow in the turbine blade cascade. Appl Therm Eng 2020;164. https://doi. org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114478.
[158] Wang Y, Hu D. Structure improvements and numerical simulation of supersonic separators with diversion cone for separation and purification. RSC Adv 2018;8 (19):10228-36. https://doi.org/10.1039/c7ra13198d.
[159] Liu Y, Ding C. Performance study of a supersonic swirl separator. Processes 2023; 11(7). https://doi.org/10.3390/pr11072218.
[160] Senfter T, Ennemoser J, Berger M, Mayerl C, Kofler T, Pillei M. An empirical investigation on the influence of the number of particle outlets and volume flow rates on separation efficiency and pressure drop in a uniflow hydrocyclone. Separations 2023;10(3). https://doi.org/10.3390/separations10030169.
[161] Deng J, Wang RZ, Han GY. A review of thermally activated cooling technologies for combined cooling, heating and power systems. Prog Energy Combust Sci 2011;37(2):172-203. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2010.05.003.
[162] Chen GQ, Kanehashi S, Doherty CM, Hill AJ, Kentish SE. Water vapor permeation through cellulose acetate membranes and its impact upon membrane separation performance for natural gas purification. J Membr Sci 2015;487:249-55. https:// doi.org/10.1016/j.memsci.2015.03.074.
[163] Hussain A, Farrukh S, Minhas FT. Two-stage membrane system for postcombustion CO2 capture application. Energy & Fuels 2015;29(10):6664-9. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5b01464.
[164] Rezakazemi M, Sadrzadeh M, Matsuura T. Thermally stable polymers for advanced high-performance gas separation membranes. Prog Energy Combust Sci 2018;66:1-41. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.11.002.
[165] Miroshnichenko D, Teplyakov V, Shalygin M. Recovery of methanol during natural gas dehydration using polymeric membranes: modeling of the process. Membranes 2022;12(12). https://doi.org/10.3390/membranes12121176.
[166] Quek VC, Shah N, Chachuat B. Plant-wide assessment of high-pressure membrane contactors in natural gas sweetening-Part I: Model development. Sep Purif Technol 2021;258:117898. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.117898.
[167] Folgueira I, Teijido I, García-Abuín A, Gómez-Díaz D, Rumbo A. Carbon dioxide absorption behavior in 2-(ethylamino)ethanol aqueous solutions. Fuel Process Technol 2015;131:14-20. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.11.015.
[168] Sreejith CC, Muraleedharan C, Arun P. Air-steam gasification of biomass in fluidized bed with absorption: a kinetic model for performance prediction. Fuel Process Technol 2015;130:197-207. https://doi.org/10.1016/j. fuproc.2014.09.040.
[169] Araújo OdQF, de Medeiros JL. Overview of natural gas processing with supersonic separator. Offshore Processing of CO2-Rich Natural Gas with Supersonic Separator 2019;3:41-53.
[170] Gandhidasan P. Dehydration of natural gas using solid desiccants. Energy 2001; 26(9):855-68. https://doi.org/10.1016/s0360-5442(01)00034-2.
[171] Álvarez-Gutiérrez N, Gil MV, Rubiera F, Pevida C. Adsorption performance indicators for the separation: application to biomass-based activated carbons. Fuel Process Technol 2016;142:361-9. https://doi.org/10.1016/j. fuproc.2015.10.038.
[172] Shooshtari SHR, Shahsavand A. Predictions of wet natural gases condensation rates via multi-component and multi-phase simulation of supersonic separators. Kor J Chem Eng 2014;31(10):1845-58. https://doi.org/10.1007/s11814-014-0133-0.
[173] Santos MGRS, Correia LMS, de Medeiros JL, Araújo OdQF. Natural gas dehydration by molecular sieve in offshore plants: impact of increasing carbon dioxide content. Energy Convers Manag 2017;149:760-73. https://doi.org/ 10.1016/j.enconman.2017.03.005.
[174] Yang Y, Li A, Wen C. Optimization of static vanes in a supersonic separator for gas purification. Fuel Process Technol 2017;156:265-70. https://doi.org/10.1016/j. fuproc.2016.09.006.
[175] Bao L, Liu Z, Liu H, Jiang W, Zhang M, Zhang J. Phase equilibrium calculation of multi-component gas separation of supersonic separator. Sci China Technol Sci 2010;53(2):435-43. https://doi.org/10.1007/s11431-009-0326-7.
[176] Malyshkina MM. The procedure for investigation of the efficiency of purification of natural gases in a supersonic separator. High Temp 2010;48(2):244-50. https://doi.org/10.1134/s0018151x10020161.
[177] Malyshkina MM. The structure of gasdynamic flow in a supersonic separator of natural gas. High Temp 2008;46(1):69-76. https://doi.org/10.1134/s10740-008-1010-5.
[178] Luo J, et al. Advances in subsea carbon dioxide utilization and storage. Energy Rev 2023;2(1). https://doi.org/10.1016/j.enrev.2023.100016.
[179] Netusil M, Ditl P. Comparison of three methods for natural gas dehydration. J Nat Gas Chem 2011;20(5):471-6. https://doi.org/10.1016/s1003-9953(10)60218-6.
[180] Rajaee Shooshtari SH, Shahsavand A. Reliable prediction of condensation rates for purification of natural gas via supersonic separators. Separ Purif Technol 2013;116:458-70. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2013.06.009.
[181] Jamali Ashtiani S, Haghnejat A, Sharif M, Fazli A. Investigation on new innovation in natural gas dehydration based on supersonic nozzle technology. Indian J Sci Technol 2015;8(S9). https://doi.org/10.17485/ijst/2015/v8iS9/ 68568.
[182] Ghasem N. CO2 removal from natural gas. In: Advances in carbon capture; 2020. p. 479-501.
[183] Teixeira AM, Arinelli LdO, de Medeiros JL, Araújo OdQF. Recovery of thermodynamic hydrate inhibitors methanol, ethanol and MEG with supersonic separators in offshore natural gas processing. J Nat Gas Sci Eng 2018;52:166-86. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2018.01.038.
[184] Montgomery H. Preventing the progression of climate change: one drug or polypill? Biofuel Research Journal 2017;4(1). https://doi.org/10.18331/ brj2017.4.1.2. 536-536.
[185] Zhou Y. Worldwide carbon neutrality transition? Energy efficiency, renewable, carbon trading and advanced energy policies. Energy Rev 2023;2(2). https://doi. org/10.1016/j.enrev.2023.100026.
[186] Zhao C, et al. Capturing CO2 in flue gas from fossil fuel-fired power plants using dry regenerable alkali metal-based sorbent. Prog Energy Combust Sci 2013;39(6): 515-34. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2013.05.001.
[187] Koornneef J, Ramírez A, Turkenburg W, Faaij A. The environmental impact and risk assessment of capture, transport and storage – an evaluation of the knowledge base. Prog Energy Combust Sci 2012;38(1):62-86. https://doi.org/ 10.1016/j.pecs.2011.05.002.
[188] Hong J, Liang F, Yang H. Research progress, trends and prospects of big data technology for new energy power and energy storage system. Energy Rev 2023. https://doi.org/10.1016/j.enrev.2023.100036.
[189] Zhou Y. Low-carbon transition in smart city with sustainable airport energy ecosystems and hydrogen-based renewable-grid-storage-flexibility. Energy Rev 2022;1(1). https://doi.org/10.1016/j.enrev.2022.100001.
[190] Olajire AA. capture and separation technologies for end-of-pipe applications – a review. Energy 2010;35(6):2610-28. https://doi.org/10.1016/j. energy.2010.02.030.
[191] Araújo OdQF, de Medeiros JL. Carbon capture and storage technologies: present scenario and drivers of innovation. Current Opinion in Chemical Engineering 2017;17:22-34. https://doi.org/10.1016/j.coche.2017.05.004.
[192] de Queiroz Fernandes Araújo O, Luiz de Medeiros J, Yokoyama L, do Rosário Vaz Morgado C. Metrics for sustainability analysis of post-combustion abatement of emissions: microalgae mediated routes and CCS (carbon capture and storage). Energy 2015;92:556-68. https://doi.org/10.1016/j. energy.2015.03.116.
[193] Giordano L, Gubis J, Bierman G, Kapteijn F. Conceptual design of membranebased pre-combustion capture process: role of permeance and selectivity on performance and costs. J Membr Sci 2019;575:229-41. https://doi.org/10.1016/ j.memsci.2018.12.063.
[194] da Silva Veras T, Mozer TS, da Costa Rubim Messeder dos Santos D, da Silva César A. Hydrogen: trends, production and characterization of the main process worldwide. Int J Hydrogen Energy 2017;42(4):2018-33. https://doi.org/ 10.1016/j.ijhydene.2016.08.219.
[195] Zhu X, Li S, Shi Y, Cai N. Recent advances in elevated-temperature pressure swing adsorption for carbon capture and hydrogen production. Prog Energy Combust Sci 2019;75. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2019.100784.
[196] Chen B, Yang T, Xiao W, Nizamani Ak. Conceptual design of pyrolytic oil upgrading process enhanced by membrane-integrated hydrogen production system. Processes 2019;7(5). https://doi.org/10.3390/pr7050284.
[197] Sun W, Cao X, Yang W, Jin X. Numerical simulation of condensation process from binary gas mixture in supersonic nozzles. Separ Purif Technol 2017;188:238-49. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.07.023.
[198] Jiang W, Bian J, Wu A, Gao S, Yin P, Hou D. Investigation of supersonic separation mechanism of CO2 in natural gas applying the Discrete Particle Method. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification 2018;123: 272-9. https://doi.org/10.1016/j.cep.2017.11.019.
[199] Jo YK, Kim J-K, Lee SG, Kang YT. Development of type 2 solution transportation absorption system for utilizing LNG cold energy. Int J Refrig 2007;30(6):978-85. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2007.01.010.
[200] Miana M, Hoyo Rd, Rodrigálvarez V, Valdés JR, Llorens R. Calculation models for prediction of Liquefied Natural Gas (LNG) ageing during ship transportation. Appl Energy 2010;87(5):1687-700. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.10.023.
[201] Liu M, Lior N, Zhang N, Han W. Thermoeconomic analysis of a novel zero-CO2emission high-efficiency power cycle using LNG coldness. Energy Convers Manag 2009;50(11):2768-81. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.06.033.
[202] Mehrpooya M, Sharifzadeh MMM, Ansarinasab H. Investigation of a novel integrated process configuration for natural gas liquefaction and nitrogen removal by advanced exergoeconomic analysis. Appl Therm Eng 2018;128: 1249-62. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.09.088.
[203] Mehrpooya M, Sharifzadeh MMM, Katooli MH. Thermodynamic analysis of integrated LNG regasification process configurations. Prog Energy Combust Sci 2018;69:1-27. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2018.06.001.
[204] Huang H-j, Yuan X-z. Recent progress in the direct liquefaction of typical biomass. Prog Energy Combust Sci 2015;49:59-80. https://doi.org/10.1016/j. pecs.2015.01.003.
[205] Yazdani S, Deymi-Dashtebayaz M, Salimipour E. Comprehensive comparison on the ecological performance and environmental sustainability of three energy storage systems employed for a wind farm by using an emergy analysis. Energy Convers Manag 2019;191:1-11. https://doi.org/10.1016/j. enconman.2019.04.021.
[206] Neofytou H, Nikas A, Doukas H. Sustainable energy transition readiness: a multicriteria assessment index. Renew Sustain Energy Rev 2020;131. https://doi. org/10.1016/j.rser.2020.109988.
[207] Zhang Z, et al. Recent advances in carbon dioxide utilization. Renew Sustain Energy Rev 2020;125. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.109799.
[208] Potrč S, Čuček L, Martin M, Kravanja Z. Sustainable renewable energy supply networks optimization – the gradual transition to a renewable energy system within the European Union by 2050. Renew Sustain Energy Rev 2021;146. https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.111186.
[209] Arinelli LdO, Brigagão GV, Wiesberg IL, Teixeira AM, de Medeiros JL, Araújo OdQF. Carbon-dioxide-to-methanol intensification with supersonic separators: extra-carbonated natural gas purification via carbon capture and utilization. Renew Sustain Energy Rev 2022;161. https://doi.org/10.1016/j. rser.2022.112424.
[210] Wiesberg IL, de Medeiros JL, Alves RMB, Coutinho PLA, Araújo OQF. Carbon dioxide management by chemical conversion to methanol: HYDROGENATION and BI-REFORMING. Energy Convers Manag 2016;125:320-35. https://doi.org/ 10.1016/j.enconman.2016.04.041.
[211] Bansode A, Urakawa A. Towards full one-pass conversion of carbon dioxide to methanol and methanol-derived products. J Catal 2014;309:66-70. https://doi. org/10.1016/j.jcat.2013.09.005.
[212] Effenberger F.X. Vision: Technical photosynthesisin: Methanol: the basic chemical and energy feedstock of the future; Springer, 2014. p. 39-50. DOI 10.1007/978-3-642-39709-7.
[213] Wiesberg IL, Brigagão GV, Araújo OdQF, de Medeiros JL. Carbon dioxide management via exergy-based sustainability assessment: carbon Capture and Storage versus conversion to methanol. Renew Sustain Energy Rev 2019;112: 720-32. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.06.032.
[214] Offermanns H, Plass L, Bertau M. Methanol: the basic chemical and energy feedstock of the future; Springer. 2014. p. 1-22. https://doi.org/10.1007/978-3-642-39709-7.
[215] Chen J, Jiang W, Lai X, Cao X, Bian J, Bi Z. Study on the influence of wallmounted cyclone on the purification and separation performance of supersonic separator. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification 2020; 150. https://doi.org/10.1016/j.cep.2020.107898.
[216] de Faria DR, de Oliveira Arinelli L, de Medeiros JL, de Araújo QFO. Novel ethylene oxide production with improved sustainability: Loss prevention via supersonic separator and carbon capture. J Environ Manage 2020;269:110782. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110782.
[217] Trubyanov MM, et al. A hybrid batch distillation/membrane process for high purification part 1: energy efficiency and separation performance study for light
impurities removal. Separ Purif Technol 2020;241. https://doi.org/10.1016/j. seppur.2020.116678.
[218] Mathieu P, Bolland O. Comparison of costs for natural gas power generation with capture. Energy Proc 2013;37:2406-19. https://doi.org/10.1016/j. egypro.2013.06.122.
[219] Rubin ES, Davison JE, Herzog HJ. The cost of capture and storage. Int J Greenh Gas Control 2015;40:378-400. https://doi.org/10.1016/j. ijggc.2015.05.018.
[220] Stéphenne K. Start-up of world’s first commercial post-combustion coal fired CCS project: contribution of Shell cansolv to SaskPower boundary dam ICCS project. Energy Proc 2014;63:6106-10. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.642.
[221] Campanari S, Manzolini G, Chiesa P. Using MCFC for high efficiency capture from natural gas combined cycles: comparison of internal and external reforming. Appl Energy 2013;112:772-83. https://doi.org/10.1016/j. apenergy.2013.01.045.
[222] Merkel TC, Wei X, He Z, White LS, Wijmans JG, Baker RW. Selective exhaust gas recycle with membranes for capture from natural gas combined cycle power plants. Ind Eng Chem Res 2012;52(3):1150-9. https://doi.org/10.1021/ ie302110z.
[223] Sharma S, Maréchal F. Carbon dioxide capture from internal combustion engine exhaust using temperature swing adsorption. Front Energy Res 2019;7. https:// doi.org/10.3389/fenrg.2019.00143.
[224] AlNouss A, Ibrahim M, Al-Sobhi SA. Potential energy savings and greenhouse gases (GHGs) emissions reduction strategy for natural gas liquid (NGL) recovery: process simulation and economic evaluation. J Clean Prod 2018;194:525-39. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.05.107.
[225] Teixeira AM, de Oliveira Arinelli L, de Medeiros JL, Ofélia de Queiroz FA. Sustainable offshore natural gas processing with thermodynamic gas-hydrate inhibitor reclamation: Supersonic separation affords carbon capture. Chem Eng Res Des 2022;181:55-73. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.03.006.
[226] Omer AM. Energy use and environmental impacts: a general review. J Renew Sustain Energy 2009;1(5). https://doi.org/10.1063/1.3220701.
[227] Li Y, Wang X. Community integrated energy system multi-energy transaction decision considering user interaction. Processes 2022;10(9). https://doi.org/ 10.3390/pr10091794.
[228] Chong ZR, Yang SHB, Babu P, Linga P, Li X-S. Review of natural gas hydrates as an energy resource: prospects and challenges. Appl Energy 2016;162:1633-52. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.12.061.
[229] Interlenghi SF, de Medeiros JL, Araújo OdQF. Protected supersonic separator performance against variable content on natural gas processing: energy and sustainability analyses. J Nat Gas Sci Eng 2020;78. https://doi.org/10.1016/j. jngse.2020.103282.
[230] Nguyen T-V, Tock L, Breuhaus P, Maréchal F, Elmegaard B. Oil and gas platforms with steam bottoming cycles: system integration and thermoenvironomic evaluation. Appl Energy 2014;131:222-37. https://doi.org/10.1016/j. apenergy.2014.06.034.
[231] Mac Kinnon MA, Brouwer J, Samuelsen S. The role of natural gas and its infrastructure in mitigating greenhouse gas emissions, improving regional air quality, and renewable resource integration. Prog Energy Combust Sci 2018;64: 62-92. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.10.002.
[232] Howarth RW, Ingraffea A, Engelder T. Should fracking stop? Nature 2011;477 (7364):271-5. https://doi.org/10.1038/477271a.
[233] Bahadori A. Natural gas dehydration. In: Natural gas processing; 2014. p. 441-81.
[234] Kong ZY, Mahmoud A, Liu S, Sunarso J. Revamping existing glycol technologies in natural gas dehydration to improve the purity and absorption efficiency: available methods and recent developments. J Nat Gas Sci Eng 2018;56:486-503. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2018.06.008.
[235] Gonzaga CSB, de Oliveira Arinelli L, de Medeiros JL, Ofélia de Queiroz FA. Automatized Monte-Carlo analysis of offshore processing of -rich natural gas: conventional versus supersonic separator routes. J Nat Gas Sci Eng 2019;69: 102943.
[236] Butkovic A. Industrial application of metal coating for improved corrosion resistance. 2022.
[237] Zhang YP, Wang SZ, Lv MM, Jing ZF, Luo XR. Research and application advances in supersonic swirling separator. Adv Mater Res 2014;1008-1009:332-7. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1008-1009.332.

Dr Esmail Lakzian is an associate professor at Hakim Sabzevari University, and he is currently with the Department of Mechanical Engineering at Andong National University in South Korea. His areas of specialization include multiphase flows, renewable energy, and energy conversion planning. He has an extensive publication record, covering topics such as multiphase flows, renewable energy, wet steam, energy conversion, and optimization methods. All of his work is characterized by excellence and has received widespread recognition within the scientific community. Notably, 30 of his papers have been ranked among the top 10 in JCR-indexed journals.

Shima Yazdani is a CFD expert and a researcher specializing in energy conversion planning at Hakim Sabzevari University in Iran. She has an extensive publication record, with over 20 papers covering topics such as multiphase flows, waste management, emergy evaluation, sustainability, energy conversion, and optimization methods.

Dr Fahimeh Salmani is a researcher at Andong National University (ANU) in South Korea, with a strong focus on multiphase flows. She has authored numerous papers on the subjects of multiphase flows, energy conversion, and optimization methods.

Dr Omid Mahian is a full Professor (National Young Talents) and doctoral supervisor at Ningbo University. He is also a visiting professor in the Department of Chemical Engineering at Imperial College London. Currently, he serves as a member of the Editorial Board for Energy (Elsevier), Renewable Energy (Elsevier), Journal of Thermal Science (Springer), Senior Associate Editor of Journal of Thermal Analysis and Calorimetry (Springer), Associate Editor of Solar Energy Engineering Journal (ASME), Advisory Board Member of Hybrid Advances (Elsevier), Academic Editor of Plos One and Advisory Board Member of Heliyon (Cell Press). Omid Mahian has contributed as a reviewer for over 100 international journals. His research primarily focuses on the application of nanotechnology in renewable energy, including the use of nanofluids in solar collectors and solar desalination. He also specializes in entropy generation and exergy analysis in energy systems. He has an extensive publication record, with over 200 SCI papers. His work has been featured in top journals such as Joule, Progress in Energy and Combustion Science, Physics Reports, and Nano Energy. Omid Mahian has been recognized as a highly cited researcher for three consecutive years (2018, 2019, and 2020) by the Web of Science. Furthermore, he has received several international awards from conferences and innovation exhibitions in recognition of his contributions to the field of heat transfer and renewable energy.

Dr Heuy Dong Kim received his B.S. degree and M.S. degrees in Mechanical Engineering from Kyungpook National University, Korea, in 1986 and 1988, respectively. He then received his Ph. D. from Kyushu University, Japan, in 1991. Currently, he is a Professor at the Andong National University, Korea. His research interests include high-speed trains, ramjet and scramjet, shock tube and technology, shock wave dynamics, explosions and blast waves, flow measurement, aerodynamic noise, and supersonic wind tunnels.

Dr. Mohammad Ghalambaz, with a PhD in heat and fluid flow, is an active researcher in the fields of thermal energy storage, nano-encapsulation of phase change materials, and the use of nano-additives. His work extends into applying artificial intelligence and deep neural networks to enhance heat transfer system designs and simulations. Dr. Ghalambaz has contributed over 200 peer-reviewed papers to scientific literature and has been recognized with a notable number of citations. His scholarly efforts have been acknowledged by various institutions; he was ranked among the world’s top Mechanical and Aerospace Engineering Scientists by Research.com in both 2021 and 2022, and has consistently appeared in the top of world scientists based on the composite h-index reported by Stanford researchers from Scopus database from 2020 to 2022. Additionally, Dr. Ghalambaz has been recognized for his contributions to peer review in Engineering and CrossField categories by Publons-Web of Science in 2019. His dedication to advancing his field through research and peer review highlights his commitment to scientific inquiry and collaboration.

Dr Hongbing Ding received his B.S. and M.S. degrees from Tianjin University in 2009 and 2011, where he also received his PhD degree in Control Science and Engineering in 2014, with his thesis winning the Excellent Doctoral Dissertation Award from the Chinese Instrument and Control Society. He was a visiting scholar in the Department of Mechanical Engineering at the University of Sheffield in 2017. Since 2018, he has been serving as an Associate professor at the School of Electrical and Information Engineering of Tianjin University. He has extensive expertise in multiphase flow and sensor measurement technology, and specifically has profound academic insights in the supersonic separator and two-phase ejector. In recent years, he has led his research team dedicated to the study of multiphase flow and heat transfer mechanisms in energy systems using a combination of computational fluid dynamics (CFD) and experimental methods.

Yan Yang received a joint PhD degree from China University of Petroleum, Qingdao, China, and Monash University, Clayton, Australia, in 2013. She is currently a Research Fellow in the Faculty of Environment, Science and Economy, University of Exeter, United Kingdom. Dr Yang’s research interests include clean energy, smart energy, energy storage, etc., contributing to the mitigation of carbon emissions. She is currently focusing on the phase change behaviour of carbon dioxide in transonic flows, contributing to the advanced gas separation and supercritical carbon dioxide cycles with their applications in various industries.

Dr Bo Li is a Lecturer (Assistant Professor) in Mechanical Engineering at the University of Kent, United Kingdom, where he leads research in thermal engineering and heat transfer innovation. His research interests include phase change cooling techniques, porous media flow boiling, thermal management for clean propulsion, and multiphysics modeling. He has particular expertise in developing thermal packaging solutions for electric machines, power electronics, and hydrogen fuel cell systems. More information can be found at: https://www.kent. ac.uk/engineering/people/3679/li-bo

Dr Chuang Wen is an Associate Professor at the University of Reading, United Kingdom, where he uses his expertise in addressing climate challenges through innovative solutions in low-carbon energy systems and the built environment. His research interests include Carbon Capture, Clean Technologies for Gas Separation, Renewable Energy, Hydrogen, Energy Storage, Clean Mobility, Smart Cities and the Built Environment. Through his work, he strives to create a positive impact by fostering cleaner and more efficient energy practices, developing intelligent energy solutions, and promoting sustainable development of our societies. He is an Associate Editor for Frontiers in Fuels, Young Editorial Board Member for DeCarbon and Advances in Applied Energy, as well as Guest Editor for Applied Energy and Heat Transfer Engineering.

Article

Published Version
Creative Commons: Attribution 4.0 (CC-BY)
Open Access
Lakzian, E., Yazdani, S., Salmani, F., Mahian, O., Kim, H. D., Ghalambaz, M., Ding, H., Yang, Y., Li, B. and Wen, C. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4445-1589 (2024) Supersonic separation towards sustainable gas removal and carbon capture. Progress in Energy and Combustion Science, 103. 101158. ISSN 03601285 doi: 10.1016/j.pecs.2024.101158 Available at https://centaur.reading.ac.uk/116623/

It is advisable to refer to the publisher’s version if you intend to cite from the work. See Guidance on citing.
Published version at: http://dx.doi.org/10.1016/j.pecs.2024.101158
To link to this article DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.pecs.2024.101158
Publisher: Elsevier

All outputs in CentAUR are protected by Intellectual Property Rights law, including copyright law. Copyright and IPR is retained by the creators or other copyright holders. Terms and conditions for use of this material are defined in the End User Agreement.
www.reading.ac.uk/centaur

Central Archive at the University of Reading
Reading’s research outputs online

Handling Editor: Christof Schultz

Climate change
Carbon capture
Supersonic separation
Energy conversion
Phase change
Gas separation

Due to the need to improve energy efficiency and promote environmental sustainability, there has been an increased worldwide emphasis on natural gas as a cleaner energy alternative. Natural gas, acknowledged by the European Union as an eco-friendly option with reduced emissions in comparison to coal and oil, has played a key role in tackling the energy scarcity issue. Nevertheless, effective natural gas processing is still crucial for cutting emissions and securing the sustainable growth of the gas sector. Supersonic separators (SSs) have emerged as a promising technology for gas purification and carbon capture, offering advantages such as cleaner processing, simplicity,
reliability, safety, and cost-effectiveness [1]. These separators utilize converging-diverging nozzles to generate supersonic flows, resulting in lower temperatures during expansion and subsequent condensation of impurities [2].

As shown in Fig. 1, a typical supersonic separator comprises a swirl generator, a supersonic nozzle, and a diffuser [1,74]. The supersonic nozzle induces low-pressure and low-temperature conditions, causing the phase change of in supersonic flows. The swirl generator generates strong swirling flows with extensive centrifugal force (>500,000 g ), facilitating the removal of droplets from the mixture. Shock waves are generated by the diffuser to decrease the flow velocity from supersonic to subsonic levels, which enhances the utilization of pressure energy, with a trade-off of some pressure reduction. In the context of

separation in flue gas containing , and water vapor, the optimized design of a supersonic separator ensures the occurrence of the phase change of and water vapor in supersonic flows, with acting as the carrier gas [3].

This review provides a comprehensive overview of the current state of multiphase supersonic separation for natural gas purification. It highlights the key advances and challenges in the field. The insights gained from this review will be of interest to researchers and engineers working in the energy and combustion science field, as well as stakeholders in the natural gas industry.

Although the present study may suggest a predominant emphasis on natural gas cleaning, a technology recently reviewed by Cao and Bian [5], it’s important to highlight that our current review article has been meticulously crafted to offer a comprehensive and thorough analysis of the subject matter. In this review, our efforts extend beyond the parallels with the work in Ref. [5]. Firstly, we have earnestly endeavoured to create a comprehensive and exhaustive review that delves into the core topic. Our article not only explores the intricacies of the supersonic separator mechanism in gas purification but also undertakes an in-depth examination of the broader landscape from technical study to economic
analysis. Secondly, our review encompasses a range of crucial aspects. Notably, we meticulously assess practical methods centred around gas purification and carbon dioxide removal, facilitating a comprehensive comparative analysis. Furthermore, we extend our scrutiny beyond the realm of mere thermodynamic evaluations. Our review incorporates a holistic approach, incorporating economic, environmental, and sustainability considerations, thereby painting a more complete picture of the subject. Finally, our review takes a stride towards innovation by exploring the advantages presented by gas liquefaction. We delve into the realm of gas liquefaction, highlighting the role of the supersonic separator in this context. Our article doesn’t merely offer a cursory overview; instead, it endeavours to comprehensively compare and contrast the efficacy of the supersonic separator against alternative methodologies. In essence, while our article may share commonalities with the work in Ref. [1], it is meticulously tailored to offer a comprehensive and distinct review. By not only dissecting the supersonic separator mechanism but also providing a comprehensive exploration of practical methods, economic implications, and advancements like gas liquefaction, our review stands as a unique and valuable contribution to the subject matter at hand.

Around of the world’s energy demands are currently met by power plants that rely on fossil fuels. Human actions have played a major role in boosting levels of greenhouse gases, leading to a onedegree Celsius uptick in Earth’s average temperature from preindustrial times [6]. It is essential to control emissions as these gases are the main cause of worldwide climate change. Carbon capture and storage (CCS) is becoming a popular method for addressing global warming [7]. The world’s energy scene is changing significantly, with a greater focus on finding sustainable and eco-friendly energy options. The incorporation of CCS is seen as crucial in strategies to reduce climate change because it serves as a connection between conventional fossil fuels and sustainable energy options [8].

During the 1900s, the natural gas market saw major expansion and variety. Besides its usual role as a source of energy, new gas-to-liquid technology allows for the creation of various hydrocarbons, ranging from gasoline-like to Diesel-like substances. At present, unprocessed natural gas is obtained from three different types of wells: oil wells, gas wells, and condensate wells. Associated gas is the name commonly used for natural gas extracted from oil wells. This gas has the ability to exist on its own in the reservoir as free gas or to be mixed into the crude oil as dissolved gas. On the other hand, non-associated gas comes from wells that primarily produce gas and condensate without much or any crude oil. Gas wells normally produce just raw natural gas, whereas condensate wells yield both free natural gas and semi-liquid hydrocarbon condensates.

Regardless of where it comes from, natural gas is frequently discovered in combination with other hydrocarbons like ethane, propane, butane, and pentanes after being separated from crude oil. Moreover, unprocessed natural gas consists of a variety of other substances such as , among others. In this blend, natural gas liquids (NGLs) have substantial worth as byproducts of processing natural gas. NGLs, which include ethane, propane, butane, iso-butane, and natural gasoline, are sold individually and have various uses. These objectives consist of improving oil recovery in oil wells, serving as materials for oil refineries or petrochemical plants, and acting as sources of energy.

In the future, there are various possible methane sources, such as landfill gas, biogas, and methane hydrate [9]. Landfill gas is a specific form of biogas, with biogas typically being defined as gas produced from organic matter without being combined with additional waste. Certain areas currently use biogas, specifically landfill gas, but there is a considerable opportunity for more growth and use of this resource.

Advancements in technology have made it easier to explore remote locations, where efforts to meet the rising demand for natural gas are increasing. Nevertheless, the natural gas found in these reservoirs frequently includes high levels of impurities and heavy hydrocarbons. The gas that is taken out mainly contains methane, propane, and ethane.

Similar to petroleum, natural gas is a crucial component of the global hydrocarbon supply. However, natural gas directly obtained from the wellhead, while rich in methane, is not pure enough for various applications. To obtain pure methane and high-molecular-weight hydrocarbons suitable for diverse uses, a series of purification steps, known as gas processing or gas refining, are employed. These steps involve the separation of different hydrocarbons and fluids from the pure natural gas.

In addition, natural gases carry a certain concentration of water vapor, which increases with temperature or pressure [10]. The presence of water and the composition of the gases can lead to the formation of hydrates at different temperatures and pressures. It is crucial to develop techniques that minimize hydrate formation in order to ensure smooth operations and prevent potential issues.

Prior to transportation through gas pipelines, natural gas with impurities undergoes a drying and sweetening process. Dehydration is a crucial step during the gas pipeline gas-up phase to prevent the formation of hydrates and protect pipelines from fouling and corrosion.

Between 2002 and 2008, the Twister Bio-Engineering Company showcased the versatility of separators in applications ranging from gas
dehumidification to hydrocarbon condensation control and elimination [11]. Building on this legacy, numerous studies have highlighted the efficacy of supersonic separators (SS) for capture, dehydration, and liquefaction [12].

The supersonic separator’s distinctive capability lies in its ability to achieve significantly lower temperatures during expansion. This is courtesy of the adiabatic cooling associated with the Laval nozzle. This unique feature enhances its effectiveness at extracting impurities from natural gas streams. The SS design has been thoroughly examined in scientific studies, delving into aspects such as its structural design, implementation methodologies, operational efficiency, economic viability, and potential industrial applications.

Supersonic separators stand out in several aspects compared to other purification technologies, such as adsorption, absorption, cryogenics, and membranes [13]. Unlike adsorption and absorption methods that often require substantial facilities, complex systems, and the use of chemicals with adverse environmental effects, supersonic separators offer a more streamlined and cost-effective solution. Due to their compact tube structure and the absence of rotating parts, the design of supersonic separators ensures stability and eliminates chemical discharge, making them environmentally friendly [3].

In summary, the comprehensive advantages offered by supersonic separators, coupled with their favorable comparison to other purification technologies in terms of cost-effectiveness, environmental impact, and operational flexibility, underscore their prominence as a promising and preferred technique for natural gas purification. The ongoing scientific exploration of their design and applications further solidifies the potential of supersonic separation in addressing the evolving needs of the natural gas industry. A summary of the reviewed literature, encompassing experimental work and numerical modeling of supersonic separators, is presented in Table 1.

A comprehensive review of the literature is presented in the subsequent chapters, organized as follows: Section 2 discusses the effect of heavy hydrocarbons, , and other impurities on natural gas quality and utilization. Section 3 presents a review of the configuration and applications of supersonic separators. First, the type of design and its capability to separate gases are discussed. Then, its role in supersonic expansion and condensation is described. This section also includes a description of the mathematical modeling and simulation details, followed by a comparison with traditional separation techniques. Section 4 focuses on the applications of supersonic separation in natural gas purification. It places particular emphasis on the dehydration process, hydrocarbon and removal processes, and studies related to natural gas liquefaction. In Section 5, the economic and environmental impact of supersonic separation is discussed. Lastly, Section 6 examines significant challenges and modifications to gas purification, supersonic separator simulations, the potential for further research and development, and the implications for the energy and combustion science field.

The increased need for natural gas has led to the finding of plentiful reserves in distant areas, facilitated by advancements in modern technology. During the extraction of natural gas from reservoirs, it frequently contains high amounts of pollutants and dense hydrocarbons [44]. The gas extracted is primarily made up of propane, methane, and ethane, making up most of the gas composition. Table 2 illustrates that natural gas is mainly made up of a combination of combustible hydrocarbons. Moreover, natural gases may also consist of nitrogen ( ), carbon dioxide ( ), and hydrogen sulfide ( ). There might also be trace quantities of argon, hydrogen, and helium [45].

Prior to being transported for further processing, natural gas with impurities undergoes a conditioning process, which includes drying and sweetening. The sweetening process is employed to remove hydrogen