Studera ytaktiva effekter på hydratkristallisering vid oljevatten gränssnitt med hjälp av en billig integrerad modulär Peltier Device

Summary

Vi presenterar ett protokoll för att studera bildandet av hydrater i närvaro av icke joniska ytaktiva ämnen på gränssnittet för en vattendroppe nedsänkt i cyclopentane. Protokollet består av att bygga en billig, programmerbar temperaturregulator. Temperaturkontrollsystemet kombineras med visualiseringstekniker och interna tryckmätningar.

Abstract

Vi introducerar en metod för att studera bildandet och tillväxten av hydrater under påverkan av icke joniska ytaktiva ämnen. Det experimentella systemet innehåller en temperaturregulator, visualiseringstekniker och inre tryckmätningar. Temperaturkontrollsystemet innehåller en låg kostnad, programmerbar temperaturregulator gjord med solid-state Peltier komponenter. Tillsammans med temperaturkontrollsystemet införlivade vi visualiseringstekniker och interna tryckmätningar för att studera hydratbildning och hämning i närvaro av icke-joniska ytaktiva ämnen. Vi studerade hydrathämmande förmåga nonionic ytaktiva ämnen (sorbitan monolaurate, sorbitane monooleate, PEG-PPG-PEG och polyoxyethyllenesorbitan tristearate) vid låga (dvs. 0,1 CMC), medium (dvs. CMC) och höga (dvs. 10 CMC) koncentrationer. Två typer av kristaller bildades: plana och koniska. Planar kristaller bildades i vanligt vatten och låga ytaktiva koncentrationer. Koniska kristaller bildades i höga ytaktiva koncentrationer. Resultaten av studien visar att koniska kristaller är de mest effektiva när det gäller hydrathämning. Eftersom koniska kristaller inte kan växa förbi en viss storlek, är hydrattillväxt som en konisk kristall långsammare än hydrattillväxt som plana kristall. Därför är ytaktiva ämnen som tvingar hydrater för att bilda koniska kristaller de mest effektiva. Målet med protokollet är att ge en detaljerad beskrivning av ett experimentellt system som kan undersöka cyklopentanhydrat kristalliseringsprocessen på ytan av en vattendroppe i närvaro av ytaktiva molekyler.

Introduction

Incitamentet att förstå mekanismen för hydratkristallisering och hämning kommer från det faktum att hydrater förekommer naturligt i oljeledningar och kan resultera i svårigheter i flödessäkring. Till exempel var 2010 Mexikanska golfen oljeutsläpp¹ ett resultat av hydratansamling i ett undervattensoljerör system, orsakar föroreningar till miljön. Därför är förståelsen för hydratbildning och hämning avgörande för att förhindra framtida miljökatastrofer. Mycket av drivkraften för studier av hydratkristallisering under de senaste åren är oljeindustrins ansträngningar att förhindra hydratplugga gytter och den efterföljande blockeringen av flödet. Den första studien för att fastställa att hydrater var ansvariga för pluggade flowlines gjordes av Hammerschmidt 1934². Till denna dag, oljeproducenter tycker att det är mycket viktigt att förstå och hämma hydratbildning för flödesförsäkring³.

Ett sätt att förhindra hydratbildning är att isolera djupvattenledningar så att isen inte bildas. Det är dock dyrt att tillräckligt isolera rörledningarna, och de extra kostnaderna kan vara i den ordning som $ 1 miljon / km³. Termodynamiska hämmare, såsom metanol, kan injiceras i brunnshuvuden för att förhindra bildandet av hydrater. Emellertid, stora volymetriska förhållanden av vatten till alkohol, så stor som 1:1, behövs för att på lämpligt sätt förhindra bildandet av hydrater⁴. Nyligen har den globala kostnaden för att använda metanol för hydrat förebyggande rapporterats som $ 220 miljoner / år. Detta är inte en hållbar mängd alkoholanvändning⁵. Dessutom är användningen av metanol problematisk eftersom den är miljöfarlig och inte kan användas för storskaliga transporter⁵. Alternativt kan kinetiska hämmare, såsom ytaktiva ämnen, undertrycka hydrattillväxt vid små mängder och temperaturer på upp till 20 °C⁶. Därför kan ytaktiv närvaro minska den stora mängden alkoholer som behövs för hydrat förebyggande.

Ytaktiva ämnen anses vara bra hämmare för hydratkristallisering på grund av två huvudsakliga skäl:

1) De kan hämma hydratbildning genom förändringar ytegenskap; och 2) De hjälper inledningsvis bildandet av hydratceller men förhindra ytterligare tillväxt och tätbebyggelse av kristallen ner rörledningen⁷. Även om ytaktiva ämnen har visat sig vara effektiva hämmare, det finns fortfarande en stor mängd information som saknas om kristalliseringsprocessen i närvaro av ytaktiva ämnen. Medan vissa studier har visat att användningen av ytaktiva ämnen kan förlänga den ursprungliga hydratkristalliseringstiden vid vissa underkylningar, har andra studier funnit undantag vid låga ytaktiva koncentrationer. Vid låga ytaktiva koncentrationer tenderar vattendropparna att smälta samman och påskynda processen för hydratbildning⁸. Hämningsprocessen har förklarats av ytaktiva molekyler som avbryter hyvlingshydrattillväxt, vilket tvingar hydratn till ihålig konisk kristallbildning. De koniska kristallerna bildar en mekanisk barriär för kristalltillväxt⁹, och därmed hämma tillväxten.

I denna studie designade och implementerade vi en billig, integrerad modulär Peltier-enhet (IMPd) tillsammans med en återfuktande visualiseringscell och använde dem för att studera cyklopentanhydratbildning i närvaro av icke joniska ytaktiva ämnen. Anledningen till att använda cyklopentan i stället för gaser₄ med låg₂molekylvikt (t.ex. Eftersom cyklopentan bildar hydrater vid omgivningstryck och temperaturer upp till ~7,5 °C används det ofta som modellmaterial för hydratbildning¹⁰.

Den integrerade modulära Peltier enheten (IMPd) består av en öppen källkod mikrokontroller, Peltier platta, CPU-kylare (kylfläns), och vattentät digital temperatursensor. Enheten kan leverera en maximal temperaturskillnad på 68 °C. Den lägsta temperaturupplösningen är 1/16 °C. Hela systemet, inklusive elektriska kretsar och hårdvara, kan konstrueras för mindre än $ 200. Temperatursensorn rapporterar till mikrokontrollern, som skickar utsignaler till transistorn. Transistorn passerar sedan ström från DC-kraftkällan genom Peltier-elementet. Kylflänsen hjälper till att kyla Peltier-elementet genom att konvektera värmen som kommer från den varma sidan av Peltier till den omgivande luften. De monterade maskinvarukomponenterna i IMPD-systemet visas i figur 1a,b. Figur 1c visar ledningarna schematiska med alla komponenter i styrslingan (proportionell-integral-derivat [PID] controller) och pin-outs. Utströmmen för mikrokontrollern begränsades med grindmotståndet R₁ till en maximal ström på 23 mA (I = 5 V/220 W). Pull-down-motstånd R₂ i figur 1c gör att grindladdningen kan försvinna och stänga av systemet. För att ställa in PID controller, Ziegler-Nichols baserade metoder i kombination med en iterativ process används¹¹. Mikrokontroller integrerad utvecklingsmiljö (IDE) programvara används för att övervaka och skicka kommandon till mikrokontroller för temperaturreglering.

Tillsammans med IMPd tillämpade vi en ny metod med visualiseringstekniker och interna tryckmätningar. Den återfuktande visualiseringscellen, som placeras ovanpå IMPd, består av en mässingscell utrustad med två dubbelpanorerade observationsfönster. Fönstren tillåter videoinspelning av hydratbildningsprocessen på vattendroppen i cyklopentan. Den kompletterande halvledarkameran med metalloxid (CMOS) placeras utanför fönstret och tryckgivaren är ansluten till vatteninsprutningsledningen för att få de interna tryckmätningarna av droppen. En digital givare ansökan används för att få avläsningar från tryckgivaren. En kameravisare används för att fånga videor och bilder från CMOS-kameran. Programvaran styr exponeringen och ögonblicksbildfrekvensen. Bildbehandlingsprogram används för att spåra tillväxten av hydratet. Figur 2a visar en schematisk beskrivning av hydratvisualiseringscellen och figur 2b visar en översikt över hela det experimentella systemet. Fröhydratn (figur 2a) krävs för konsekvent kärnbildning och spårning av hydrattillväxthastigheten. Fröhydratet är en liten volym (t.ex. 50–100 μl) rent vatten som deponerats på hydratcellens golv. När temperaturen sjunker bildar droppen is, som sedan vrids till hydrat när temperaturen ökar. Den lilla biten av fröhydratn kommer sedan i kontakt med vattendroppen. Denna process styr initieringen av hydratet i den nedsänkta vattendroppe. Kiseldioxid torkmedel sätts in i gapet mellan de två glasglas (figur 2c), som fungerar som visning fönster. Den kiseldioxid torkmedel hjälper till att minska mängden glasyr och imma på fönstren. Anti-fog appliceras också på det yttre fönstret för att minska imma. Bilder fångas med en CMOS-kamera och en 28–90 mm lins. En 150 W fiberoptisk gåshalslampa används för belysning. Ett akryllock placeras ovanpå mässingscellen för att begränsa avdunstningen av cyklopentan. VVS består av en kombination av flexibla polytetrafluoreten (PTFE) slangar och styv mässing slang. En sprutpump med en 1 ml glasspruta och en 19 G nål styr flödet av vatten och ytaktiv lösning. En tryckgivare övervakar tryckförändringarna inuti vattensyvlarlösningsdroppen. 19 G PTFE-slangen ansluter sprutan till T-monteringen och 1/16 tum (1,588 mm) mässingsslangen förbinder givaren och mässingskroken med T-fästet (figur 2d). En mässing krok, ca 5 cm i längd med en 180 ° böj, genererar vatten / ytaktiva lösning droppe. Böjen säkerställer att droppen som genereras av sprutan sitter ovanpå röret under hela experimentet. En 1/16 in. rostfritt stål T-montering i samband med PTFE krossa ferrules och PTFE gängtejp täta beslag.

Med hjälp av denna apparat undersökte vi fyra olika nonioniska ytaktiva ämnen med olika hydrofil-lipofila saldon (HLB) som ofta används inom oljeindustrin: sorbiten monolaurat, sorbitan monooleat, PEG-PPG-PEG och polyoxyetyllenesorbitan tristearat.

Protocol

1. Hydratbildning på vattendroppe i cyklopentan OBS: Det experimentella förfarande som beskrivs nedan är för studier av hydratbildning på en vattendroppe i cyklopentan med hjälp av IMPd och hydrat visualisering cell som beskrivs i inledningen. Fäst en 19 G-nål på 1 ml-glasssprutan (bild 2b, C). Skölj sprutan på 1 ml glas och 19 G nål 3x med DI-vatten. Fyll sprutan med DI-vatten. Fyll hydratvisual…

Representative Results

Med hjälp av detta experimentella system kan man undersöka hydratbildningen vid oljevattengränssnittet och mäta den interfaciala stress som är associerad med kristalliseringsprocessen. Figur 6 visar en representativ uppsättning resultat som omfattar både kristallbildning och interfacial stress. I planar skal tillväxt (Figur 6a), kristallen växte från de två polerna mot ekvatorn. Av den anledningen, i plana kristallen, växte hydratesk…

Discussion

I den här artikeln beskriver vi en experimentell teknik för att studera hydratkristallisering vid olje-vatten gränssnittet i närvaro av icke-joniska ytaktiva ämnen. Apparaten består av ett temperaturkontrollsystem och en visualiseringscell som innehåller en mässingskammare med fönster, CMOS-kamera och tryckgivare. Temperaturkontrollsystemet består av en mikrokontroller, kraftfull Peltier platta, 120 mm CPU-kylare som kylfläns, och en vattentät digital temperatursensor. En hydrat visualisering mässing cell ut…

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