कम लागत वाले एकीकृत मॉड्यूलर पेल्टियर डिवाइस का उपयोग करके तेल-जल इंटरफेस पर हाइड्रेट क्रिस्टलाइजेशन पर सर्फेक्टेंट प्रभावों का अध्ययन करना
Summary
हम साइक्लोपेंटाने में डूबे पानी की बूंद के इंटरफेस पर एनप्याजिक सर्फेक्टेंट की उपस्थिति में हाइड्रेट के गठन का अध्ययन करने के लिए एक प्रोटोकॉल पेश करते हैं। प्रोटोकॉल में कम लागत, प्रोग्राम करने योग्य, तापमान नियामक का निर्माण होता है। तापमान नियंत्रण प्रणाली दृश्य तकनीकों और आंतरिक दबाव माप के साथ संयुक्त है।
Abstract
हम एनप्याजिक सर्फेक्टेंट के प्रभाव में हाइड्रेट्स के गठन और विकास का अध्ययन करने के लिए एक दृष्टिकोण पेश करते हैं। प्रायोगिक प्रणाली में एक तापमान नियामक, दृश्य तकनीक और आंतरिक दबाव माप शामिल हैं। तापमान नियंत्रण प्रणाली में ठोस-राज्य पेल्टियर घटकों के साथ बनाया गया कम लागत वाला, प्रोग्रामेबल तापमान नियामक होता है। तापमान नियंत्रण प्रणाली के साथ, हमने एनप्याजिक सरफेसेंट की उपस्थिति में हाइड्रेट गठन और अवरोध का अध्ययन करने के लिए दृश्य तकनीकों और आंतरिक दबाव मापन को शामिल किया। हमने एनप्याजिक सर्फेक्टेंट (सोऑर्बिटन मोनोलॉरेट, सोऑर्बिटन मोनोओलेट, खूंटी-पीपीजी-खूंटी, और पॉलीऑक्सीथीथिलीनऑर्बिटन ट्राइस्टेरेट) की हाइड्रेट-अवरोधक क्षमता का अध्ययन कम (यानी 0.1 सीएमसी), मध्यम (यानी सीएमसी), और उच्च (यानी 10 सीएमसी) एकाग्रता पर किया। दो प्रकार के क्रिस्टल बनाए गए थे: प्लानर और शंकु। प्लेनर क्रिस्टल सादे पानी और कम सर्फेक्टेंट सांद्रता में बनते थे। उच्च सर्फेक्टेंट सांद्रता में शंकुक्रिस्टल बनाए गए थे। अध्ययन के परिणाम बताते हैं कि हाइड्रेट अवरोध के मामले में शंकुक्रिस्टल सबसे प्रभावी होते हैं। क्योंकि शंकुक्रिस्टल एक निश्चित आकार पिछले विकसित नहीं कर सकते, एक शंकुक्रिस्टल के रूप में हाइड्रेट विकास दर planar क्रिस्टल के रूप में हाइड्रेट वृद्धि दर से धीमी है । इसलिए, सर्फेक्टेंट जो हाइड्रेट्स को शंकुक्रिस्टल बनाने के लिए मजबूर करते हैं, सबसे कुशल हैं। प्रोटोकॉल का लक्ष्य एक प्रायोगिक प्रणाली का विस्तृत विवरण प्रदान करना है जो सर्फेक्टेंट अणुओं की उपस्थिति में पानी की बूंद की सतह पर साइक्लोपेंटाने हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया की जांच करने में सक्षम है।
Introduction
हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण और अवरोध के तंत्र को समझने के लिए प्रोत्साहन इस तथ्य से आता है कि हाइड्रेट्स तेल पाइपलाइनों में स्वाभाविक रूप से होते हैं और इसके परिणामस्वरूप प्रवाह आश्वासन में कठिनाइयां हो सकती हैं । उदाहरण के लिए, मेक्सिको तेल फैल1 की २०१० खाड़ी एक पानी के नीचे तेल पाइपिंग प्रणाली में हाइड्रेट संचय का परिणाम था, पर्यावरण के लिए संदूषण के कारण । इसलिए, भविष्य में पर्यावरणीय आपदाओं को रोकने के लिए हाइड्रेट गठन और अवरोध को समझना महत्वपूर्ण है। पिछले वर्षों में हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण के अध्ययन के लिए ड्राइविंग बल के अधिकांश तेल उद्योग के लिए हाइड्रेट प्लग समूह और प्रवाह के बाद रुकावट को रोकने के प्रयास है । यह निर्धारित करने के लिए पहला अध्ययन कि हाइड्रेट प्लग किए गए फ्लोलाइन के लिए जिम्मेदार थे , 19342में हैमरश्मिट द्वारा किया गया था। इस दिन के लिए, तेल उत्पादकों को प्रवाह आश्वासन3के लिए हाइड्रेट गठन को समझना और रोकना बेहद महत्वपूर्ण लगता है ।
हाइड्रेट गठन को रोकने का एक तरीका गहरे पानी की पाइपलाइनों को बचाना है ताकि बर्फ न बन सके। हालांकि, पाइपलाइनों को पर्याप्त रूप से बचाना महंगा है, और अतिरिक्त लागत $ 1 मिलियन/किमी3के क्रम में हो सकती है। थर्मोडायनामिक अवरोधक, जैसे मेथनॉल, हाइड्रेट के गठन को रोकने के लिए वेलहेड्स में इंजेक्ट किया जा सकता है। हालांकि, पानी के बड़े वॉल्यूमेट्रिक अनुपात, 1:1 के रूप में महान के रूप में, पर्याप्त रूप से हाइड्रेट4के गठन को रोकने के लिए की जरूरत है । हाल ही में, हाइड्रेट रोकथाम के लिए मेथनॉल का उपयोग करने के लिए वैश्विक लागत $२२०,०००,०००/वर्ष के रूप में सूचित किया गया है । यह शराब के उपयोग की एक टिकाऊ मात्रा नहीं है5। इसके अलावा, मेथनॉल का उपयोग समस्याग्रस्त है क्योंकि यह पर्यावरण की दृष्टि से खतरनाक है, और बड़े पैमाने पर परिवहन5के लिए इस्तेमाल नहीं किया जा सकता है । वैकल्पिक रूप से, काइनेटिक अवरोधक, जैसे सर्फेक्टेंट, कम मात्रा में हाइड्रेट विकास और 20 डिग्री सेल्सियस6तक के तापमान को दबा सकते हैं। इसलिए, सर्फेक्टेंट उपस्थिति हाइड्रेट रोकथाम के लिए आवश्यक बड़ी मात्रा में अल्कोहल को कम कर सकती है।
सर्फेक्टेंट को दो मुख्य कारणों से हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण के लिए अच्छा अवरोधक माना जाता है:
1) वे सतह संपत्ति में परिवर्तन के माध्यम से हाइड्रेट गठन को बाधित कर सकते हैं; और 2) वे शुरू में हाइड्रेट कोशिकाओं के गठन में मदद लेकिन आगे विकास और पाइपलाइन7नीचे क्रिस्टल के समूह को रोकने । हालांकि सर्फेक्टेंट कुशल अवरोधक साबित हुए हैं, फिर भी सर्फेक्टेंट की उपस्थिति में क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया के बारे में बड़ी मात्रा में जानकारी गायब है। हालांकि कुछ अध्ययनों से पता चला है कि सर्फेक्टेंट का उपयोग कुछ सबकूलिंग ्स में प्रारंभिक हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण समय का विस्तार कर सकता है, अन्य अध्ययनों में कम सर्फेक्टेंट सांद्रता पर अपवाद पाए गए हैं। कम सर्फेक्टेंट सांद्रता पर, पानी की बूंदें जल्दर गठन8की प्रक्रिया को एकजुट और तेज करती हैं। अवरोध प्रक्रिया को प्लैनार हाइड्रेट विकास में बाधा डालने वाले सर्फेक्टेंट अणुओं द्वारा समझाया गया है, जो हाइड्रेट को खोखले-शंकुक्रिस्टल गठन में मजबूर करते हैं। शंकुक्रिस्टल क्रिस्टल विकास9के लिए एक यांत्रिक बाधा बनाते हैं, और इस प्रकार विकास को रोकते हैं।
इस अध्ययन में हमने हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल के साथ कम लागत वाले, एकीकृत मॉड्यूलर पेल्टियर डिवाइस (आईएमडीडी) को डिजाइन और लागू किया और उन्हें एनप्याजिक सर्फेक्टेंट की उपस्थिति में साइक्लोपेंटाने हाइड्रेट गठन का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया। कम आणविक वजन वाली गैसों (जैसे, सीएच4 और सीओ2)के बजाय साइक्लोपेंटान का उपयोग करने का कारण यह है कि आमतौर पर गहरे समुद्र जलाशयों में हाइड्रेट बनाते हैं, यह है कि इन गैसों को स्थिर हाइड्रेट बनाने के लिए उच्च दबाव और कम तापमान की आवश्यकता होती है। क्योंकि साइक्लोपेंटेन परिवेश के दबाव और तापमान पर हाइड्रेट्स को ~ 7.5 डिग्री सेल्सियस तक बनाता है, इसलिए इसे अक्सर हाइड्रेट गठन10के लिए मॉडल सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है।
एकीकृत मॉड्यूलर पेल्टियर डिवाइस (आईएमडीडी) में एक ओपन-सोर्स माइक्रोकंट्रोलर, पेल्टियर प्लेट, सीपीयू कूलर (हीट सिंक), और वाटरप्रूफ डिजिटल तापमान सेंसर शामिल हैं। यह डिवाइस अधिकतम तापमान अंतर 68 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचा सकता है। न्यूनतम तापमान का संकल्प 1/16 डिग्री सेल्सियस है। इलेक्ट्रिकल सर्किटरी और हार्डवेयर सहित पूरी प्रणाली का निर्माण $ 200 से कम किया जा सकता है। तापमान सेंसर माइक्रोकंट्रोलर को रिपोर्ट करता है, जो ट्रांजिस्टर को आउटपुट सिग्नल भेजता है । ट्रांजिस्टर तो पेल्टियर तत्व के माध्यम से डीसी पावर सोर्स से करंट गुजरता है । गर्मी सिंक पेल्टियर के गर्म पक्ष से परिवेश ी हवा में आने वाली गर्मी को संविलियन करके पेल्टियर तत्व को ठंडा करने में मदद करता है। आईएमडी प्रणाली के इकट्ठे हार्डवेयर घटकों को चित्रा 1ए, बीमें दिखाया गया है। चित्रा 1सी नियंत्रण लूप (आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न [पीआईडी] नियंत्रक) और पिन-आउट के सभी घटकों के साथ तारों की योजनाबद्ध दिखाता है। माइक्रोकंट्रोलर का आउटपुट वर्तमान गेट प्रतिरोधक आर1 के साथ 23 एमए (I = 5 V/220 W) के अधिकतम वर्तमान तक सीमित था। फिगर 1सी में पुल-डाउन प्रतिरोधक आर2 गेट चार्ज को नष्ट करने और सिस्टम को बंद करने की अनुमति देता है। पीआईडी नियंत्रक को ट्यून करने के लिए, एक पुनरावर्तक प्रक्रिया के साथ संयुक्त Ziegler-निकोल्स आधारित तरीकों का उपयोग11किया जाता है। माइक्रोकंट्रोलर एकीकृत विकास पर्यावरण (आईडीई) सॉफ्टवेयर का उपयोग तापमान विनियमन के लिए माइक्रोकंट्रोलर को कमांड की निगरानी और भेजने के लिए किया जाता है।
आईएमडीके के साथ, हमने दृश्य तकनीकों और आंतरिक दबाव मापन का उपयोग करके एक उपन्यास दृष्टिकोण लागू किया। हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल, जिसे आईएमडी डी के शीर्ष पर रखा गया है, में दो डबल-पैन अवलोकन खिड़कियों से लैस पीतल की कोशिका शामिल है। खिड़कियां साइक्लोपेंटाने में पानी की बूंद पर हाइड्रेट गठन प्रक्रिया की वीडियो रिकॉर्डिंग की अनुमति देती हैं। पूरक धातु ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (सीएमओएस) कैमरा खिड़की के बाहर रखा गया है और ड्रॉप के आंतरिक दबाव माप प्राप्त करने के लिए प्रेशर ट्रांसड्यूसर पानी इंजेक्शन लाइन से जुड़ा हुआ है। प्रेशर ट्रांसड्यूसर से रीडिंग पाने के लिए डिजिटल ट्रांसड्यूसर एप्लीकेशन का इस्तेमाल किया जाता है । सीएमओएस कैमरे से वीडियो और छवियों को कैप्चर करने के लिए एक कैमरा दर्शक का उपयोग किया जाता है। सॉफ्टवेयर एक्सपोजर और स्नैपशॉट फ्रीक्वेंसी को नियंत्रित करता है। इमेज प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर प्रोग्राम का इस्तेमाल हाइड्रेट की ग्रोथ को ट्रैक करने के लिए किया जाता है। चित्रा 2एक हाइड्रेट विज़ुअलाइजेशन सेल का एक योजनाबद्ध विवरण दिखाता है और चित्रा 2बी पूरे प्रायोगिक प्रणाली का अवलोकन दिखाता है। हाइड्रेट वृद्धि दर के लगातार नाभिकीकरण और ट्रैकिंग के लिए बीज हाइड्रेट(चित्रा 2ए)की आवश्यकता होती है। बीज हाइड्रेट हाइड्रेट सेल के फर्श पर जमा शुद्ध पानी की एक छोटी मात्रा (जैसे, 50-100 माइक्रोन) है। जैसे-जैसे तापमान कम होता है, बूंद बर्फ बनाती है, जो तब तापमान बढ़ने के साथ हाइड्रेट हो जाती है। बीज हाइड्रेट का छोटा टुकड़ा फिर पानी की बूंद से संपर्क करता है। यह प्रक्रिया जलमग्न पानी की बूंद में हाइड्रेट की दीक्षा को नियंत्रित करती है। सिलिका डेसिस्टेंट को दो ग्लास स्लाइड(चित्रा 2सी)के बीच के अंतर में डाला जाता है, जो खिड़कियों को देखने के रूप में काम करता है। सिलिका डेसीक्रेंट खिड़कियों पर फ्रॉस्टिंग और फॉगिंग की मात्रा को कम करने में मदद करता है। फॉगिंग कम करने के लिए बाहरी खिड़की पर भी एंटी फॉग लगाया जाता है। छवियों को सीएमओएस कैमरे और 28-90 मिमी लेंस के साथ कैप्चर किया जाता है। रोशनी के लिए 150 डब्ल्यू फाइबर ऑप्टिक हंस-नेक लैंप का उपयोग किया जाता है। साइक्लोपेंटाने के वाष्पीकरण को सीमित करने के लिए पीतल की कोशिका के शीर्ष पर एक ऐक्रेलिक कवर रखा जाता है। नलसाजी में लचीला पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई) ट्यूबिंग और कठोर पीतल की टयूबिंग का संयोजन होता है। 1 एमएल ग्लास सिरिंज और 19 जी सुई के साथ एक सिरिंज पंप पानी और सर्फेक्टेंट समाधान के प्रवाह को नियंत्रित करता है। एक प्रेशर ट्रांसड्यूसर पानी सर्फेक्टेंट समाधान बूंद के अंदर दबाव परिवर्तन पर नज़र रखता है। 19 जी पीटीएफई ट्यूबिंग सिरिंज को टी-फिटिंग और 1/16 इंच (1.588 मिमी) पीतल की टयूबिंग से जोड़ता है ट्रांसड्यूसर और पीतल के हुक को टी-फिटिंग(फिगर 2डी)से जोड़ता है। एक पीतल हुक, 180 डिग्री मोड़ के साथ लंबाई में लगभग 5 सेमी, पानी/सर्फेक्टेंट समाधान बूंद उत्पन्न करता है। मोड़ यह सुनिश्चित करता है कि सिरिंज द्वारा उत्पन्न बूंद पूरे प्रयोग में ट्यूब के शीर्ष पर बैठती है। पीटीएफई क्रश फेरनियमों और पीटीएफई थ्रेड टेप के साथ मिलकर स्टेनलेस स्टील टी-फिटिंग में 1/16 फिटिंग सील करते हैं ।
इस उपकरण का उपयोग करते हुए, हमने विभिन्न हाइड्रोफिलिक-लिपोफिलिक बैलेंस (एचएलबी) के साथ चार अलग-अलग एनप्याजिक सर्फेक्टेंट की जांच की जो आमतौर पर तेल उद्योग में उपयोग किए जाते हैं: ऑर्बिटान मोनोलॉरेट, ऑर्बिटान मोनोओलेट, खूंटी-पीपीजी-खूंटी, और पॉलीथोक्सिलीन्सऑर्बिटन ट्रिस्टेरेट।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस लेख में हम एनप्याजिक सर्फेक्टेंट की उपस्थिति में तेल-पानी इंटरफेस पर हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण का अध्ययन करने के लिए एक प्रयोगात्मक तकनीक का वर्णन करते हैं। उपकरण में एक तापमान नियंत्रण प्रणाली और एक…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक अमेरिकन केमिकल सोसायटी-पेट्रोलियम रिसर्च फंड (एसीएस-पीएफआर), ग्रांट नंबर: पीआरएफ # 57216-UNI9, वित्तीय सहायता के लिए धन्यवाद देते हैं ।
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 |
References
- 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).
