Статья опубликована в рамках: XLIII Международной научно-практической конференции «Наука вчера, сегодня, завтра» (Россия, г. Новосибирск, 31 января 2017 г.)
Наука: Химия
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
дипломов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ИНДУКЦИИ ГИДРАТА ПРИРОДНОГО ГАЗА ДЛЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ PVP И PVCAP
DETERMINATION OF THE INDUCTION TIME FOR THE NATURAL GAS HYDRATE AQUEOUS SOLUTIONS OF PVP AND PVCAP
Vladimir Malyshev
professor, Nizhny Novgorod State Technical University. RE Alekseev,
Russia, Nizhny Novgorod
Maria Sergeeva
magister, Nizhny Novgorod State Technical University. RE Alekseev,
Russia, Nizhny Novgorod
АННОТАЦИЯ
Описаны основные физико-химические свойства кинетических ингибиторов гидратообразования: поливинилпирролидона и поливинилкапролактама, рассчитано время индукции гидрата природного газа при различных условиях переохлаждения для водных растворов PVP и PVCap, построены графики зависимости времени индукции от концентрации PVP и PVCap при переохлаждении 14,72 К.
ABSTRACT
The basic physical and chemical properties of kinetic hydrate inhibitors: PVP and polivinilkaprolaktama, calculated natural gas hydrate during the induction of hypothermia under different conditions for aqueous solutions of PVP and PVCap, plotted as the induction time of the concentration of PVP and PVCap Undertemperature 14.72 K.
Ключевые слова: газовые гидраты, кинетика образования газовых гидратов, кинетические ингибиторы, время индукции, поливинилпирролидон, поливинилкапролактам.
Keywords: gas hydrates, the kinetics of gas hydrate formation, kinetic inhibitors, the induction time, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl.
Согласно современным исследованиям, запасы газовых гидратов во всем мире в несколько раз превышают запасы обычного газа. Интерес к газовым гидратам обусловлен наличием значительных ресурсов газа, находящегося в недрах Земли в газогидратной форме. Объем запасов этого вида топлива в несколько раз выше ресурсов обычного газа, что и позволяет считать гидраты одним из наиболее перспективных источников нетрадиционных углеводородов. Для получения и хранения газовых гидратов требуются низкие температуры и повышенное давление.
Газовые гидраты – это твердые растворы, имеющие трёхмерное строение, каркас образуют молекулы воды, в полостях находятся молекулы-гости, связь между молекулами «хозяевами» и молекулами «гостями» обусловлена силами Ван-дер-Ваальса.
Газовые гидраты в газовой промышленности оседают на стенках труб. Скапливаясь, они мешают потоку газа, тем самым затрудняя процесс продвижения газа по трубопроводам. Для предотвращения образования газовых гидратов существует множество способов, такие как обезвоживание, контроль температуры, давление, химические ингибиторы. Наиболее эффективными являются ингибиторы.
Существует несколько видов ингибиторов, такие как: термодинамические, кинетические, анти-агломераты. Термодинамические ингибиторы приводят к изменению равновесного состояния газовых гидратов. Кинетические ингибиторы изменяют время индукции. Анти-агломераты ингибируют кристаллическую агломерацию.
Наиболее популярными являются кинетические ингибиторы, так как они используются в малых концентрациях (до 1 мас %).
Рисунок 1. Разновидности кинетических ингибиторов
Наиболее распространенными кинетическими ингибиторами являются поли-(N-виниллактамы), из-за большей доступности, изученности, экологичности.
В таблице 1 даны основные физико-химические параметры наиболее распространенных кинетических ингибиторов, что помогает подобрать соответствующий ингибитор к конкретной ситуации гидратообразования.
Таблица 1.
Физико-химические свойства кинетических ингибиторов гидратообразования PVP (поливинилпирролидон) и PVCap (поливинилкапролактам)
|
Параметры |
PVP |
PVCap |
|
Структура |
|
|
|
Молекулярная формула |
C6H9NO |
C8H13NO |
|
Молярная масса, г/моль |
10 000 (PVP10) 40 000 (PVP40) 360 000 (PVP360) |
~110 000 |
|
Принцип ингибирования |
Адсорбция на поверхности гидрата с помощью лактамной группы |
За счет блокирования полимерной молекулой центра кристаллизации |
|
Воздействие |
Адсорбция приводит к нарушению структуры гидрата гидрата и ингибирует дальнейший рост |
Воздействие аминированного полиалкилен гликоля. Небольшое разрушение гидратного кристалла |
|
Температура плавления, °С |
150-180 |
34 |
|
Плотность, г/см3 |
1,22 |
1,30 |
|
Количество звеньев в лактамном кольце |
5 |
7 |
|
Лактамные кольцевые диаметры, |
5,5 |
5,8 |
|
Эффективность |
При низких условиях переохлаждения |
При высоких условиях переохлаждения |
|
Изотерма адсорбции |
Соответствует изотерме Лэнгмюра |
БЭТ адсорбция
|
|
Оптимальная концентрация |
Присутствие сверхнизких концентраций PVP (0,00001 мас %) уменьшает межфазное натяжение между жидкой водой и метаном |
=0,5 мас %. Эффективность ингибирования снижается при более низких и при более высоких концентрациях |
|
Эффективность |
Эффективен только при низком переохлаждении. При понижении температуры до 4 °С, эффективность PVP значительно уменьшается, и он больше не может препятствовать гидратообразованию |
Высокое переохлаждение в течение более длительного времени (при 8 °C до одного месяца) |
Исходя из данной таблицы, приходим к выводу, что данные ингибиторы существенно отличаются, главное отличие – это степень переохлаждения. PVP эффективен только при низких условиях переохлаждения, в то время как PVCap при низких условиях переохлаждения не показывает эффекта ингибирования.
Основной параметр, характеризующий кинетические ингибиторы, это время индукции. Время индукции – это время от момента перемешивания реагентов до момента, когда становятся заметно отличными от нуля скорость реакции или количество прореагировавшего вещества.
Время индукции пропорционально скорости реакции (превращения) [2], его можно записать в виде:
(2)
– постоянная Фрейндлиха, является функцией температуры, концентрации (% по весу) кинетического ингибитора гидрата в растворе;
– концентрация кинетического ингибитора;
– количество центров ядер кристаллизации, занимаемого одной кинетической молекулой ингибитора;
– фугитивность системы состояния;
– равновесная летучесть газового гидрата;
и 
экспериментально скорректированные параметры.
Таблица 2.
Время индукции гидрата природного газа при различных условиях переохлаждения для водных растворов PVP и PVCap
|
Система |
Концентрация (wt %) |
Индукционное время (мин) при переохлаждении |
||
|
274,15 К (∆Т=14,72 К) |
279,15 К (∆Т=9,72 К) |
284,15 К (∆Т=4,72 К) |
||
|
PVP |
0,1 0,5 0,7 1,0 1,5 2,0 |
0,4 1,6
1,8
2,1 |
37,4 59,4 61,7 68,5 74,9 89,5 |
470,2 680,4
860,3
1144 |
|
PVCap |
0,1 0,3 0,5 1,0 2,0 |
9,6 16,4 31,4 113,7 426,6 |
24 177,5 479,4 1548,6 |
816 |
Рисунок 2. Зависимость времени индукции от концентрации PVP при переохлаждении 14,72 К
Рисунок 3. Зависимость времени индукции от концентрации PVCap при переохлаждении 14,72 К
При изучении зависимости времени индукции от концентрации PVCap получили, что время индукции в зависимости от концентрации в системе PVP увеличивается плавно, а в системе PVCap наблюдается ярко выраженный экспоненциальный рост времени индукции при увеличении концентрации при одинаковых условиях переохлаждения.
Эта зависимость доказывает эффективность PVCap при высоких условиях переохлаждения и неэффективность PVP при низких условиях переохлаждения.
Список литературы:
- Experimental and theoretical investigation of simple gas hydrate formation with or without presence of kinetic inhibitors in a flow mini-loop apparatus / M.R. Talaghat, F. Esmaeilzadeh, J. Fathikaljahi // Fluid Phase Equilibria – 2009. № 279. – P. 28-40.
- Experimental measurement of the induction time of natural gas Hydrate and its prediction with polymeric kinetic inhibitor / Seong-Pil Kang, Ju-Young Shin, Jong-Se Lim, Sangyong Lee // Chemical Engineering Science – 2014. P. 8-10.
дипломов
Оставить комментарий