تعيين شرايط تعادل ترموديناميكي تشكيل هيدرات متان به روش تجربي سريع

Determination of thermodynamic equilibrium conditions for the formation of methane gas hydrate using a fast empirical method

هيدرات‌هاي گازي در واقع مواد پيچيده غير استوكيومتري از آب و گاز هستند كه تحت شرايط خاصي، ساختار‌هاي شبكه‌اي آب تشكيل و در بين اين شبكه‌ها حفراتي ايجاد مي‌شوند در صورتي كه تمام يا بخشي از اين حفره‌ها با مولكول‌هاي گاز اشغال شود، ساختار هيدراتي تشكيل مي‌شود. تعيين شرايط تعادل ترموديناميكي تشكيل هيدرات بسيار زمان بر است. در اين مقاله يك روش سريع براي تعيين شرايط تعادلي هيدرات گاز متان ارايه شده است. آزمايش‌ها با گاز متان به خلوص 37/97 درصد و آب مقطر در يك سامانه واكنشگاهي فشار بالا PARR انجام شد. در اين روش پس از گرم كردن مخلوط آب و متان تا دماي 40 درجه سلسيوس، فشار تعادلي تشكيل هيدرات در دماي 4، 5، 6، 8 و 10 درجه سلسيوس به ترتيب 598، 651، 727، 909 و psia 1053 به‌دست آمد. داده‌هاي فشار تعادلي تكرار پذير در اين روش بررسي شد. مقايسه نتيجه‌هاي به‌دست آمده از اين روش با نتيجه‌هاي تجربي Frost و Deaton و نيز با نتيجه‌هاي به‌دست آمده از پيش بيني رابطه تصحيح HWU و نرم افزار CSMHYD و همچنين با پيش بيني رابطه Kamath نشان داد كه تطابق خيلي خوب بين آن‌ها وجود دارد. ميانگين قدر مطلق اختلاف فشارها براي تمامي دماهاي تعادلي در مقايسه با نتيجه‌هاي رابطه تصحيح HWU و نرم افزار CSMHYD به ترتيب 86/7 % و 24/5 % به‌دست آمد.

Gas hydrates or clathrates are non-stoichiometric complex compounds. At appropriate conditions, due to hydrogen bonding, the water molecules form cage-like structures and if gas molecules enter those cavities, the structures stabilize. Generally the determination of thermodynamic equilibrium formation and dissociation conditions is very time consuming process. In this article, an innovative direct and fast method was developed for determination of thermodynamic equilibrium conditions. All of the experiments were performed in a high pressure PARR reactor using distilled water and methane with 97.37 percent purity. In this method, memory effect of the distilled water at each experiment has been removed at 40 °C. The equilibrium hydrate formation pressure was determined at desired temperatures. The obtained equilibrium pressures were 598, 651, 727, 909, and 1053 psia at 4, 5, 6, 8, and 10 °C, respectively. Repeatability of this method was also investigated. The obtained data are in good agreement with those of reported by Deaton and Frost, predicted by HWU correlation and CSMHYD hydrate software, and to those predicted by Kamath correlation. The average absolute deviations of equilibrium pressure in all experiments were only 7.86 and 5.24 percent when compared to predictions of HWU correlation and CSMHYD software, respectively.