לימוד השפעות הסקר על התגבשות מימה ב ממשקי שמן מים באמצעות מכשיר מודולרי משולב בעלות נמוכה
Summary
אנו מציגים פרוטוקול ללמוד את היווצרות של הידרטים בנוכחות של מפעילי nonionic על הממשק של droplet מים שקוע ב ציקלופנטאן. הפרוטוקול כולל בניית וסת. בעלות נמוכה, ניתן לתיכנות ומווסת טמפרטורה מערכת בקרת הטמפרטורה משולבת עם טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי.
Abstract
אנו מציגים גישה כדי ללמוד את היווצרות וצמיחה של הידרטים תחת השפעה של מפעילי nonionic. המערכת הניסיונית כוללת וסת טמפרטורה, טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי. מערכת בקרת הטמפרטורה מכילה מווסת טמפרטורה בעלות נמוכה וניתנת לתיכנות העשוי מרכיבים מוצקים של המדינה. יחד עם מערכת בקרת טמפרטורה, אנו משולבים טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי כדי ללמוד היווצרות מימה ועיכוב בנוכחות של מפעילי nonionic. למדנו את היכולת המממנת-מעכבים של nonionic הגולש (sorbitane monolaurate, בריכת שייט, יתד-PPG-יתד, ופוליוקסריםביריאורביריבינטאנייטה בזול (כלומר, 0.1 CMC), בינוני (כלומר, CMC) וגבוה (כלומר, 10 CMC) ריכוזי. נוצרו שני סוגי גבישים: מישורי וחרותיים. קריסטלים מישורי נוצרו במים פשוטים ובריכוזים נמוכים של חומרים. גבישים חרוטיים נוצרו בריכוזים גבוהים של חומרים. תוצאות המחקר מראים כי גבישים חרוטיים הם היעילים ביותר במונחים של עכבות מימה. מכיוון שקריסטלים חרוטיים אינם יכולים לצמוח מעבר לגודל מסוים, שיעור הצמיחה המימיים כגביש חרוט איטי יותר מקצב הגידול המימיים כגביש מישורי. לפיכך, החומרים האלה שכוח הידרוטים ליצירת קריסטלים חרוטיים הם היעילים ביותר. מטרת הפרוטוקול היא לספק תיאור מפורט של מערכת ניסיונית המסוגלת לחקור את תהליך התגבשות הציקלופנטאן על פני השטח של droplet מים בנוכחות של מולקולות הסורסטנט.
Introduction
התמריץ להבין את המנגנון של התגבשות מימה ועיכוב נובע מהעובדה כי הידרטים מתרחשים באופן טבעי בצינורות הנפט יכול לגרום לקשיים באבטחת הזרימה. לדוגמה, 2010 מפרץ של מקסיקו שמן לשפוך1 היה תוצאה של הצטברות מימה במערכת צנרת שמן מתחת למים, גרימת זיהום לסביבה. מכאן, הבנת היווצרות מימה ועיכוב היא חיונית כדי למנוע אסונות סביבתיים עתידיים. רוב הכוח המניע למחקר של התגבשות מימה בשנים האחרונות הוא מאמץ של תעשיית הנפט כדי למנוע הזרמת מייבשים וסתימת הזרימה הבאה. המחקר הראשון כדי לקבוע כי הידרטים היו אחראים לצינורות מחוברים שנעשו על ידי האמרשמידט ב 19342. עד היום, יצרני הנפט מוצאים את זה חשוב מאוד להבין ולעכב היווצרות מימה עבור ביטחון הזרימה3.
דרך אחת למנוע היווצרות מימה היא לבודד צינורות מים עמוקים, כך קרח אינו מגבש. עם זאת, זה יקר לבודד כראוי את הצינורות, ואת העלויות הנוספות יכול להיות בסדר של $1 מיליון/km3. מעכבי תרמודינמיים, כגון מתנול, יכולים להיות מוזרק לתוך הראש כדי למנוע היווצרות של הידרטים. עם זאת, יחסי נפח גדול של מים לאלכוהול, כמו גדול 1:1, נחוצים על מנת למנוע כראוי את היווצרות של הידרטים4. לאחרונה, העלות הגלובלית לשימוש מתנול עבור מניעה מימה דווחה כ $220 מיליון/שנה. זה לא כמות בת קיימא של שימוש באלכוהול5. בנוסף, השימוש במתנול הוא בעייתי משום שהוא מסוכן לסביבה ואינו יכול לשמש להובלה בקנה מידה גדול5. לחילופין, מעכבי קינטי, כגון surfactants, יכול לדכא צמיחה מימה בכמויות קטנות וטמפרטורות של עד 20 ° c6. מכאן, נוכחות הגולש יכול להפחית את כמות גדולה של אלכוהול הדרושים למניעה מימה.
פעילי החומרים נחשבים מעכבי טובה עבור התגבשות מימה בשל שתי סיבות עיקריות:
1) הם יכולים לעכב את היווצרות המים באמצעות שינויי רכוש המשטח; ו 2) הם בתחילה לעזור היווצרות של תאים מימה, אך למנוע צמיחה נוספת והנפת הגביש במורד צינור7. למרות פיתחה הוכיחו להיות יעיל מעכבי, יש עדיין כמות גדולה של מידע חסר לגבי תהליך התגבשות בנוכחות של מפעילי. בעוד מחקרים מסוימים הראו כי השימוש של הגולש יכול להאריך את הזמן הראשוני התגבשות מימה ב subcoolings מסוימים, מחקרים אחרים מצאו חריגים בריכוזי החומרים הנמוכים. בריכוזים נמוכים של חומרים, טיפות המים נוטות למזג ולהאיץ את תהליך היווצרות מימה8. תהליך העיכוב הוסבר על ידי מולקולות חומרים פעילי שטח מפריעה צמיחה מימה מישורי, כפיית מימה לתוך היווצרות גביש חלול-חרוט. גבישי החרוט מהווים מחסום מכני לגידול גביש9, וכך מעכבים את הצמיחה.
במחקר זה עיצבנו ומיושם בעלות נמוכה, משולב מכשיר Peltier מודולרי (IMPd) יחד עם תא הדמיה מימה והשתמשו בהם כדי לחקור היווצרות ציקלופנטאן מימה בנוכחות של הגולש nonionic. הסיבה לשימוש ציקלופנטאן במקום גזים במשקל מולקולרי נמוך (למשל, CH4 ו-CO2) כי בדרך כלל טופס הידרוטים בתוך מאגרי מים עמוקים, הוא כי גזים אלה דורשים לחצים גבוהים יותר טמפרטורות נמוכות כדי ליצור הידרטים יציבים. מכיוון שהציקלופנטאן יוצרת הידרטים בלחץ סביבתי ובטמפרטורות של עד ~ 7.5 ° c, הוא משמש לעתים קרובות כחומר מודל עבור היווצרות מימה10.
המכשיר המשולב מודולרי פלוייה (IMPd) מורכב מיקרובקר מקור פתוח, לוחית פלטייר, מצנן מעבד (כיור חום), וחיישן טמפרטורה דיגיטלית עמיד למים. המכשיר יכול לספק טמפרטורה מקסימלית דיפרנציאלי של 68 ° c. רזולוציית הטמפרטורה המינימלית היא 1/16 ° c. המערכת כולה, כולל המעגלים החשמליים והחומרה, ניתן לבנות עבור פחות מ $200. חיישן הטמפרטורה מדווח למיקרו-בקר, השולח אותות פלט לטרנזיסטור. הטרנזיסטור מעביר את הזרם ממקור הכוח הDC דרך האלמנט פלטייר. כיור החום מסייע לצנן את האלמנט של פלטייר על ידי הבאת החום המגיע מהצד החם של הפלטייר לאוויר הסביבתי. רכיבי החומרה המורכבים של מערכת IMPd מוצגים באיור 1, b. איור 1ג מציג את סכימטי החיווט עם כל הרכיבים של לולאת הבקרה (אינטגרלי-אינטגרל-בקרי נגזרות) ומספר הפינים. זרם הפלט של המיקרובקר היה מוגבל עם השער השערים R1 לזרם המקסימלי של 23 mA (I = 5 V/220 W). מאפשר למטען השער להתפזר. Figure 1c ולכבות את המערכת כדי לכוונן את בקר ה-PID, שיטות המבוססות על זיגלר-ניקולס בשילוב עם תהליך איטרטיבי משמשות11. סביבת פיתוח משולבת של מיקרובקר (IDE) תוכנה משמשת לניטור ושליחה של פקודות למיקרו-בקר עבור רגולציה בטמפרטורה.
יחד עם IMPd, אנו להחיל גישה הרומן באמצעות טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי. תא הדמיה מימה, אשר ממוקם על גבי IMPd, מורכב תא פליז מצויד שני חלונות צפייה פעמיים. החלונות מאפשרים הקלטת וידאו של תהליך היווצרות מימה על droplet המים ב ציקלופנטאן. מצלמה משלימה תחמוצת המתכת (CMOS) ממוקם מחוץ לחלון ומתמר הלחץ מחובר לקו הזרקת מים כדי לקבל את מדידות הלחץ הפנימי של הירידה. יישום מתמר דיגיטלי משמש כדי לקבל את הקריאות של מתמר הלחץ. מציג מצלמה משמש ללכידת סרטי הווידאו והתמונות ממצלמת ה-CMOS. התוכנה שולטת בתדר החשיפה והתמונה. עיבוד תמונה תוכנות משמשות כדי לעקוב אחר התפתחותם של המיים. איור 2a מראה תיאור סכמטי של התא הדמיה מימה ואיור 2ב מראה סקירה של המערכת הניסיונית כולה. הזרע מימה (איור 2א) נדרש לצורך התגררות עקבית ומעקב אחר שיעור הצמיחה המיימה. הזרע מימה הוא כרך קטן (למשל, 50-100 μL) של מים טהורים הופקד על רצפת התא מימה. כאשר הטמפרטורה פוחתת, צורות הירידה קרח, אשר לאחר מכן פונה מימה כמו הטמפרטורה עולה. החלק הקטן של הזרע מימה ואז לקשר את droplet המים. תהליך זה שולט בתחילתן של המים הזורמים בתוך ה-droplet של מי התהום. התייבשות סיליקה צביעות מוכנס לפער בין שתי שקופיות זכוכית (איור 2ג), המשמשים כחלונות צפייה. החומר לייבוש סיליקה מסייע להפחית את כמות הציפוי והערפול על החלונות. האנטי-ערפל מוחל גם על החלון החיצוני כדי להפחית את הערפול. תמונות נלכדים עם מצלמת CMOS ו 28-90 מ”מ עדשה. מנורה 150 W סיבים אופטיים אווז משמש לתאורה. כיסוי אקרילי מונח על גבי תא הפליז כדי להגביל את האידוי של ציקלופנטאן. הצנרת מורכבת משילוב של צינורות פוליטפלואורואתילן גמישים וצינורות פליז קשיחים. משאבת מזרק עם מזרק זכוכית 1 mL ו 19 המחט G שליטה זרימת המים ופתרון החומרים. מתמר לחץ מפקחת על שינויי הלחץ. בתוך התמיסה של המים, droplet 19 G מצוכי אבובים מחבר את המזרק ל T-התאמה ו-1/16. (1.588 מ”מ) פליז אבובים מחבר את מתמר ומפליז לחבר T-התאמה (איור 2ד). קרס פליז, כ 5 ס מ אורך עם עיקול 180 מעלות, מייצר את המים/הפתרון החומרים droplet. העיקול מבטיח כי ה-droplet שנוצר על-ידי המזרק, מונח על גבי הצינורית במהלך הניסוי. 1/16 בתוך. פלדת אל-חלד המתאימה בשילוב עם כללי המרמוס והדבק הנייר חותם את האביזרים.
באמצעות מכשיר זה, בדקנו ארבעה מפעילי nonionic שונים עם יתרות שונות הידרופיפילית ליפופילית (HLB) כי הם משמשים בדרך כלל בתעשיית הנפט: sorbitane monolaurate, sorbitane monolaurate, יתד-PPG-יתד, ו polyoxyethyאורביניםבית . זה מאוד מהנה
Protocol
Representative Results
Discussion
במאמר זה אנו מתארים טכניקה ניסיונית לחקר התגבשות מימה בממשק מים הנפט בנוכחות של מפעילי nonionic. המנגנון מורכב מערכת בקרת טמפרטורה תא חזותי הכולל תא פליז עם חלונות, מצלמת CMOS, ומתמר הלחץ. מערכת בקרת הטמפרטורה מורכבת של מיקרובקר, צלחת פלאטייר רב עוצמה, 120 מ”מ מיקרו ממדי מעבד כמו גוף הקירור, ו חיישן…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים לאגודה האמריקנית לכימיה-קרן מחקר נפט (ACS-PFR), מספר גרנט: PRF 57216-UNI9, לתמיכה כספית.
Materials
| 1/16 in. Swagelok 316 stainless steel T-fitting | Swagelok | ||
| 19 gauge PTFE tubing | Scientific Commodities, Inc. | ||
| 19-gauge needle (model: 1001 LTSN SYR) | |||
| 1-Wire DS18B20 – waterproof digital temperature sensor | |||
| Anti fog | RainX | ||
| Arduino Leonardo open-source microcontroller | |||
| Brass tubing 1/16 in. | K&S Precision Metals | ||
| Chemyx Fusion 100 Infusion Pump | Chemyx | ||
| cMOS camera acA640-750um | Basler | ||
| Cyclopentane 98% extra pure | ACROS organics | AC111481000 | |
| Fiber optic goose-neck lamp 150W | AmScope | ||
| Fotodiox macro extension tubes, 35 mm | |||
| Hamilton glass syringe 1 mL | Hamilton | ||
| ImageJ software | |||
| Kipon EOS to C-mount adapter | Kipon | ||
| Lens 28-90 mm | Canon | ||
| Mathematica software | Mathematica | ||
| OMEGA PX409-10WGUSBH pressure transducer | OMEGA | ||
| Peltier plate TEC1-12715 | Amazon | ||
| Pluronic L31 (PEG-PPG-PEG) | Sigma Aldrich | 9003-11-6 | |
| Pylon Viewer v5.0.0.6150 | Basler | ||
| Span 20 (Sorbitan laurate, Sorbitan monolaurate) | Sigma Aldrich | 1338-39-2 | |
| Span 80 (Sorbitan Monooteate) | Sigma Aldrich | 1338-43-8 | |
| Thermaltake NiC C4 120mm CPU cooler | Thermaltake | ||
| Tween 65 (Polyoxyethylenesorbitan Tristearate) | Sigma Aldrich | 9005-71-4 | |
| variable Tooluxe DC power supply |
Referenzen
- Graham, B., et al. . Deep water: The Gulf Oil disaster and the future of offshore drilling. Report to the President. , (2011).
- Hammerschmidt, E. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines. Industrial & Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).
- Sloan, E. D. A changing hydrate paradigm-from apprehension to avoidance to risk management. Fluid Phase Equilibria. 228-229, 67-74 (2005).
- Xiaokai, L., Latifa, N., Abbas, F. Anti-agglomeration in cyclopentane hydrates from bio- and co-surfactants. Energy & Fuels. 24, 4937-4943 (2010).
- Sloan, E. D. Fundamental principles and applications of natural gas hydrates. Nature. 426, 353-363 (2003).
- Sloan, E. D., Koh, C. . Clathrate Hydrates of Natural Gases. , (2007).
- Lee, J. D., Englezos, P. Unusual kinetic inhibitor effects on gas hydrate formation. Chemical Engineering Science. 61, 1368-1376 (2006).
- Daimaru, T., Yamasaki, A., Yanagisawa, Y. Effect of surfactant carbon chain length on hydrate formation kinetics. Journal of Petroleum Science and Engineering. 56, 89-96 (2007).
- Karanjkar, P. U., Lee, J. W., Morris, J. F. Surfactant effects on hydrate crystallization at the water-oil interface: hollow-conical crystals. Crystal Growth & Design. 12, 3817-3824 (2012).
- Leopercio, B. C., de Souza Mendes, P. R., Fuller, G. G. Growth kinetics and mechanics of hydrate films by interfacial rheology. Langmuir. 32, 4203-4209 (2016).
- Karanjkar, P. U., Lee, J. W., Morris, J. F. Calorimetric investigation of cyclopentane hydrate formation in an emulsion. Chemical Engineering Science. 68, 481-491 (2012).
- Mori, Y. H. Harkins-brown correction factor for drop formation. AIChE Journal. 36, 1272-1274 (1990).
- Dann, K., Rosenfeld, L. Surfactant effect on hydrate crystallization at oil-water interface. Langmuir. 34 (21), 6085-6094 (2018).
- Ibach, H. . Physics of Surfaces and Interfaces. , (2006).
