Düşük Maliyetli Entegre Modüler Peltier Cihazı Kullanarak Yağ-Su Arayüzlerinde Hidrat Kristalizasyonu Üzerine Sürfaktan Etkilerinin İncelenmesi
Summary
Siklopentane’ye batırılmış bir su damlacığının arayüzünde nonik yüzey aktif maddelerin varlığında hidrat oluşumunu incelemek için bir protokol sıyoruz. Protokol, düşük maliyetli, programlanabilir, sıcaklık düzenleyicisi oluşturmaktan oluşur. Sıcaklık kontrol sistemi görselleştirme teknikleri ve iç basınç ölçümleri ile birleştirilir.
Abstract
Noniyonik yüzey aktif maddelerin etkisi altında hidratların oluşumunu ve büyümesini incelemek için bir yaklaşım sıyoruz. Deneysel sistem bir sıcaklık düzenleyici, görselleştirme teknikleri ve iç basınç ölçümleri içerir. Sıcaklık kontrol sistemi, katı hal Peltier bileşenlerinden yapılmış düşük maliyetli, programlanabilir bir sıcaklık regülatörü içerir. Sıcaklık kontrol sistemi ile birlikte, niyonik yüzey aktif maddelerin varlığında hidrat oluşumu nu ve inhibisyonu incelemek için görselleştirme teknikleri ve iç basınç ölçümlerini bir araya getirdik. Düşük (yani, 0.1 CMC), orta (yani, CMC) ve yüksek (yani, 10 CMC) konsantrasyonlarında noniyonik yüzeyaktif maddelerin (sorbitane monolaurate, sorbitane monoolelat, PEG-PPG-PEG ve polioksietilenekar tristearate) hidrat inhibe yeteneğini inceledik. İki tür kristal oluşmuştur: düzlemsel ve konik. Düzlemsel kristaller düz su ve düşük yüzey aktif konsantrasyonlarda oluşmuştur. Konik kristaller yüksek yüzey aktif konsantrasyonlarda oluşmuştur. Çalışmanın sonuçları konik kristallerin hidrat inhibisyonu açısından en etkili olduğunu göstermektedir. Konik kristaller belli bir boyutu geçemediği için, konik kristal olarak hidrat büyüme hızı düzlemsel kristal olarak hidrat büyüme hızından daha yavaştır. Bu nedenle, suitileri konik kristaller oluşturmaya zorlayan yüzey aktif maddeler en verimli olandır. Protokolün amacı, yüzey aktif moleküllerin varlığında bir su damlacığı yüzeyinde siklopentane hidrat kristalizasyon sürecini araştırma yeteneğine sahip deneysel bir sistemin ayrıntılı bir açıklamasını sağlamaktır.
Introduction
Hidrat kristalizasyon ve inhibisyon mekanizmasını anlamak için teşvik hidratlar petrol boru hatlarında doğal olarak meydana gelen ve akış güvencesi zorluklara neden olabilir aslında geliyor. Örneğin, 2010 Meksika Körfezi petrol sızıntısı1 bir sualtı petrol boru sisteminde hidrat birikimi sonucu, çevreye kirlenmeye neden oldu. Bu nedenle, gelecekteki çevresel felaketleri önlemek için hidrat oluşumu ve inhibisyonu anlamak çok önemlidir. Son yıllarda hidrat kristalizasyon uyrama çalışmaları için itici güç çok hidrat fiş aglomerasyon ve akış sonraki tıkanıklık önlemek için petrol endüstrisinin çabasıdır. Hidratların tıkanmış akışlardan sorumlu olduğunu belirlemek için ilk çalışma Hammerschmidt tarafından 19342yılında yapılmıştır. Bu gün için, petrol üreticileri anlamak ve akış güvencesi için hidrat oluşumunu inhibe etmek son derece önemli bulmak3.
Hidrat oluşumunu önlemenin bir yolu, derin su boru hatlarını izole etmektir, böylece buz oluşmaz. Ancak, boru hatları yeterince izole etmek pahalı, ve ek maliyetler sırayla olabilir $1 milyon/km3. Metanol gibi termodinamik inhibitörler, hidrat oluşumunu önlemek için kuyu başlarına enjekte edilebilir. Ancak, suyun alkole olan büyük hacimsel oranları, 1:1 kadar büyük, hidrat oluşumunu yeterince önlemek için ihtiyaç vardır4. Son zamanlarda, hidrat önleme için metanol kullanmak için küresel maliyet 220.000.000 $ / yıl olarak bildirilmiştir. Bu alkol kullanımı sürdürülebilir bir miktar değildir5. Buna ek olarak, çevreaçısından tehlikeli olduğu için metanol kullanımı sorunludur ve büyük ölçekli taşıma için kullanılamaz5. Alternatif olarak, yüzey aktif maddeler gibi kinetik inhibitörler, hidrat büyümesini küçük miktarlarda ve 20 °C6’yakadar sıcaklıklarda bastırabilir. Bu nedenle, yüzey aktif varlığı hidrat önleme için gerekli alkollerin büyük miktarda azaltabilir.
Sürfaktanlar iki ana nedenden dolayı hidrat kristalizasyonu için iyi inhibitörler olarak kabul edilir:
1) Yüzey özelliği değişiklikleri ile hidrat oluşumunu inhibe edebilirler; ve 2) Başlangıçta hidrat hücrelerinin oluşumuna yardımcı ama boru hattı7aşağı kristal daha fazla büyüme ve aglomerasyon önlemek . Sürfaktanlar etkili inhibitörleri olduğu kanıtlasa da, yüzey aktif maddelerin varlığında kristalizasyon süreciyle ilgili hala büyük miktarda bilgi eksiktir. Bazı çalışmalar, yüzey aktif maddelerin kullanımının bazı subcooling’lerde ilk hidrat kristalizasyon süresini uzatabileceğini göstermiş olsa da, diğer çalışmalar düşük yüzey aktif konsantrasyonlarda istisnalar bulmuştür. Düşük yüzey aktif konsantrasyonlarda, su damlacıkları birleştirme eğilimindedir ve hidrat oluşumu sürecini hızlandırmak8. İnhibisyon süreci, düzlemsel hidrat büyümesini kesintiye uğratan sürfaktan moleküller tarafından açıklanmıştır ve hidrat ıboş-konik kristal oluşumuna zorlanır. Konik kristaller kristal büyüme için mekanik bir bariyer oluşturmak9, ve böylece büyümeyi inhibe.
Bu çalışmada hidrat görüntüleme hücresi ile birlikte düşük maliyetli, entegre modüler Peltier cihazı (IMPd) tasarladık ve uyguladık ve bunları niyonik yüzey aktif maddelerin varlığında siklopentane hidrat oluşumunu incelemek için kullandık. Genellikle derin deniz rezervuarlarında hidratoluşturan düşük molekül ağırlıklı gazlar (örneğin, CH4 ve CO2)yerine siklopentane kullanılmasının nedeni, bu gazların kararlı hidratlar oluşturmak için daha yüksek basınç ve daha düşük sıcaklıklara ihtiyaç duymasın. Siklopentane ortam basıncında hidratlar oluşturduğundan ve ~7.5 °C’ye kadar olan sıcaklıklarda, genellikle hidrat oluşumu10için model malzeme olarak kullanılır.
Entegre modüler Peltier cihazı (IMPd), açık kaynak kodlu mikrodenetleyici, Peltier plaka, CPU soğutucu (ısı emici) ve su geçirmez dijital sıcaklık sensöründen oluşur. Cihaz maksimum sıcaklık diferansiyelini 68 °C olarak sunabilir. Minimum sıcaklık çözünürlüğü 1/16 °C’dir. Elektrik devresi ve donanım ı da dahil olmak üzere tüm sistem 200 dolardan daha az bir fiyata inşa edilebilir. Sıcaklık sensörü mikrodenetleyiciye rapor lanır ve transistöre çıkış sinyalleri gönderir. Transistör daha sonra DC güç kaynağından gelen akımı Peltier elemanından geçirir. Isı emici, Peltier’in sıcak tarafından gelen ısıyı ortam havasına doğru püskürterek Peltier elementinin soğumasına yardımcı olur. IMPd sisteminin monte edilmiş donanım bileşenleri Şekil 1a,b’degösterilmiştir. Şekil 1c, kontrol döngüsünün tüm bileşenleri (orantılı-integral-türevi [PID] denetleyicisi) ve pin-out’ları ile kablo şemasını gösterir. Mikrodenetleyicinin çıkış akımı, R1 kapı rezistansı ile 23 mA (I = 5 V/220 W) maksimum akımla sınırlandırıldı. Şekil 1c’deki çekme rezistansı R2, kapı yükünün dağılmış olmasını ve sistemi kapatmasını sağlar. PID denetleyicisini ayarlamak için Ziegler-Nichols tabanlı yöntemler ve yinelemeli bir işlem kullanılır11. Mikrodenetleyici entegre geliştirme ortamı (IDE) yazılımı, sıcaklık düzenlemesi için mikrodenetleyiciye komutları izlemek ve göndermek için kullanılır.
IMPd ile birlikte görselleştirme teknikleri ve iç basınç ölçümleri kullanarak yeni bir yaklaşım uyguladık. IMPd’nin üzerine yerleştirilen hidrat görüntüleme hücresi, iki çift bölmeli gözlem penceresi ile donatılmış bir pirinç hücreden oluşur. Pencereler siklopentane su damlacıküzerinde hidrat oluşum sürecinin video kaydı sağlar. Tamamlayıcı metal-oksit yarı iletken (CMOS) kamera pencerenin dışına yerleştirilir ve basınç transdüser damla iç basınç ölçümleri almak için su enjeksiyon hattına bağlanır. Basınç transdüserinin okumalarını almak için dijital transdüser uygulaması kullanılır. CMOS kameradaki videoları ve görüntüleri yakalamak için bir kamera görüntüleyici kullanılır. Yazılım pozlama ve anlık görüntü sıklığını kontrol eder. Görüntü işleme yazılım programları hidrat büyümesini izlemek için kullanılır. Şekil 2a hidrat görme hücresinin şematik bir açıklamasını gösterir ve Şekil 2b tüm deneysel sistemin genel görünümünü gösterir. Tohum hidrat(Şekil 2a)tutarlı çekirdekleşme ve hidrat büyüme hızının izlenmesi için gereklidir. Tohum hidrat, hidrat hücresinin zemininde biriken saf suyun küçük bir hacmidir (örn. 50-100°L). Sıcaklık azaldıkça, damla buz oluşturur, bu da sıcaklık arttıkça nemlendirmeye dönüşür. Tohum hidrat küçük bir parça sonra su damlacık temas. Bu işlem, su altında su damlacıkhiditinin başlatılmasını kontrol eder. Silika kurutucu, görüntüleme penceresi olarak hizmet veren iki cam slayt(Şekil 2c)arasındaki boşluğa yerleştirilir. Silika kurutucu pencerelerde buzlanma ve sisleme miktarını azaltmaya yardımcı olur. Sislenmeyi azaltmak için dış pencereye de sis önleyici uygulanır. Görüntüler CMOS kamera ve 28-90 mm lens ile yakalanır. Aydınlatma için 150 W fiber optik kaz yaka lambası kullanılır. Siklopentenin buharlaşmasını sınırlamak için pirinç hücrenin üstüne akrilik kapak yerleştirilir. Sıhhi tesisat esnek politetrafloroetilen (PTFE) tüp ve sert pirinç boru bir arada oluşur. 1 mL cam şırınga ve 19 G iğne ile bir şırınga pompası su ve yüzey aktif çözelti akışını kontrol. Basınç transdüseri, su yüzey aktif çözeltisi damlacığı içindeki basınç değişikliklerini izler. 19 G PTFE borusu şırıngayı T-fitting’a, 1/16 inç (1.588 mm) pirinç boruyu t-fitting’a bağlar (Şekil 2d). 180° virajlı yaklaşık 5 cm uzunluğundaki pirinç kanca, su/yüzey aktif çözelti damlacıkları oluşturur. Büküm, şırınga tarafından üretilen damlacık deneme boyunca tüpün üstüne oturur sağlar. PtFE ezilme ferrules ve PTFE iplik bant ile birlikte 1/16 in. paslanmaz çelik T-fitting parçaları mühür.
Bu cihazı kullanarak, petrol endüstrisinde yaygın olarak kullanılan farklı hidrofilik-lipofilik dengelere (HLB) sahip dört farklı noniyonik yüzey aktif maddeyi inceledik: sorbitane monolaurate, sorbitane monooleat, PEG-PPG-PEG ve polioksietiyelizan tristearate.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makalede, niyonik yüzey aktif maddeler in varlığında yağ-su arabiriminde hidrat kristalizasyonunu incelemek için deneysel bir teknik açıklanmıştır. Cihaz bir sıcaklık kontrol sistemi ve pencereler, CMOS kamera ve basınç dönüştürücü ile bir pirinç oda içeren bir görselleştirme hücresi oluşur. Sıcaklık kontrol sistemi mikrodenetleyici, güçlü Peltier plaka, soğutucu olarak 120 mm CPU soğutucu ve su geçirmez dijital sıcaklık sensöründen oluşur. Bir hidrat görselleştirme pirinç h?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Amerikan Kimya Derneği teşekkür – Petrol Araştırma Fonu (ACS – PFR), hibe numarası: PRF # 57216-UNI9, mali destek için.
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).
