Étudier les effets surfactants sur la cristallisation des hydrates à l’aide d’un dispositif Peltier modulaire intégré à faible coût

L’incitation à comprendre le mécanisme de cristallisation et d’inhibition des hydrates vient du fait que les hydrates se produisent naturellement dans les oléoducs et peuvent entraîner des difficultés d’assurance des débits. Par exemple, le déversement de pétrole¹ du golfe du Mexique en 2010 était le résultat d’une accumulation d’hydrates dans un système de tuyauterie d’huile sous-marine, ce qui a contaminé l’environnement. Par conséquent, il est crucial de comprendre la formation et l’inhibition des hydrates afin de prévenir de futures catastrophes environnementales. Une grande partie de la force motrice pour l’étude de la cristallisation des hydrates au cours des dernières années est l’effort de l’industrie pétrolière pour prévenir l’agglomération des bouchons d’hydrate et le blocage subséquent du débit. La première étude visant à déterminer que les hydrates étaient responsables des lignes d’écoulement bouchées a été faite par Hammerschmidt en 1934². À ce jour, les producteurs de pétrole trouvent très important de comprendre et d’inhiber la formation d’hydrates pour l’assurance des^{débits 3}.

Une façon de prévenir la formation d’hydrates est d’isoler les pipelines d’eau profonde afin que la glace ne se forme pas. Cependant, il est coûteux d’isoler adéquatement les pipelines, et les coûts supplémentaires peuvent être de l’ordre de 1 million de dollars/km³. Les inhibiteurs thermodynamiques, comme le méthanol, peuvent être injectés dans des têtes de puits pour empêcher la formation d’hydrates. Cependant, de grands rapports volumetricaux de l’eau à l’alcool, aussi grands que 1:1, sont nécessaires afin d’empêcher adéquatement la formation d’hydrates⁴. Récemment, le coût mondial de l’utilisation du méthanol pour la prévention des hydrates a été déclaré à 220 millions de dollars par année. Ce n’est pas une quantité durable de consommation d’alcool⁵. En outre, l’utilisation du méthanol est problématique parce qu’elle est dangereuse pour l’environnement et ne peut pas être utilisée pour le transport à grande échelle⁵. Alternativement, les inhibiteurs cinétiques, tels que les surfactants, peuvent supprimer la croissance d’hydrate à de petites quantités et des températures allant jusqu’à 20 oC⁶. Par conséquent, la présence de surfactants peut réduire la grande quantité d’alcools nécessaires à la prévention des hydrates.

Surfactants sont considérés comme de bons inhibiteurs pour la cristallisation des hydrates en raison de deux raisons principales:

1) Ils peuvent inhiber la formation d’hydrate par des changements de propriété de surface ; 2) Ils aident d’abord la formation de cellules hydratantes, mais empêchent la croissance et l’agglomération du cristal dans le pipeline⁷. Bien que les surfactants se soient avérés être des inhibiteurs efficaces, il manque encore une grande quantité d’informations concernant le processus de cristallisation en présence de surfactants. Bien que certaines études aient montré que l’utilisation de surfactants peut prolonger le temps initial de cristallisation des hydrates à certains sous-verres, d’autres études ont trouvé des exceptions à de faibles concentrations de surfactants. À de faibles concentrations de surfactants, les gouttelettes d’eau ont tendance à fusionner et à accélérer le processus de formation d’hydrate⁸. Le processus d’inhibition a été expliqué par des molécules surfactantes interrompant la croissance de l’hydrate planaire, forçant l’hydrate dans la formation de cristal creux-conique. Les cristaux coniques forment une barrière mécanique pour la croissance du cristal^9,et inhibent ainsi la croissance.

Dans cette étude, nous avons conçu et mis en œuvre un dispositif Peltier modulaire intégré à faible coût (IMPd) ainsi qu’une cellule de visualisation d’hydrates et les avons utilisés pour étudier la formation d’hydrates de cyclopentane en présence de surfactants nonioniques. La raison de l’utilisation de cyclopentane au lieu de gaz de faible poids moléculaire (p. ex., CH₄ et CO₂) qui forment habituellement des hydrates dans les réservoirs de haute mer, est que ces gaz nécessitent des pressions plus élevées et des températures plus basses pour former des hydrates stables. Étant donné que le cyclopentane forme des hydrates à la pression ambiante et des températures allant jusqu’à 7,5 oC, il est souvent utilisé comme matériau modèle pour la formation d’hydrates^10.

Le dispositif modulaire Peltier intégré (IMPd) se compose d’un microcontrôleur open-source, d’une plaque Peltier, d’un refroidisseur de processeur (évier thermique) et d’un capteur de température numérique imperméable à l’eau. L’appareil peut fournir un différentiel de température maximum de 68 oC. La résolution minimale de température est de 1/16 oC. L’ensemble du système, y compris les circuits électriques et le matériel, peut être construit pour moins de 200 $. Le capteur de température se rapporte au microcontrôleur, qui envoie des signaux de sortie au transistor. Le transistor passe ensuite le courant de la source d’énergie DC à travers l’élément Peltier. L’évier de chaleur aide à refroidir l’élément Peltier en convectant la chaleur provenant du côté chaud du Peltier à l’air ambiant. Les composants matériels assemblés du système IMPd sont indiqués dans la figure 1a,b. La figure 1c montre le schéma de câblage avec tous les composants de la boucle de commande (contrôleur à dérivé proportionnel)) et les pin-outs. Le courant de sortie du microcontrôleur était limité avec la résistance à la porte R₁ à un courant maximum de 23 mA (I – 5 V/220 W). La résistance à la baisse R₂ dans la figure 1c permet à la charge de la porte de se dissiper et d’éteindre le système. Pour régler le contrôleur PID, les méthodes basées sur Ziegler-Nichols combinées à un processus itératif sont utilisées¹¹. Le logiciel d’environnement de développement intégré de microcontrôle (IDE) est utilisé pour surveiller et envoyer des commandes au microcontrôleur pour la régulation de la température.

Avec l’IMPD, nous avons appliqué une nouvelle approche en utilisant des techniques de visualisation et des mesures de pression interne. La cellule de visualisation d’hydrate, qui est placée au-dessus de l’IMPd, est composée d’une cellule en laiton équipée de deux fenêtres d’observation à double paned. Les fenêtres permettent l’enregistrement vidéo du processus de formation d’hydrate sur la gouttelette d’eau en cyclopentane. La caméra semi-conducteur complémentaire à oxyde métallique (CMOS) est placée à l’extérieur de la fenêtre et le transducteur de pression est relié à la ligne d’injection d’eau afin d’obtenir les mesures de pression interne de la goutte. Une application de transducteur numérique est utilisée pour obtenir les lectures du transducteur de pression. Un visualiseur de caméra est utilisé pour capturer les vidéos et les images de la caméra CMOS. Le logiciel contrôle l’exposition et la fréquence d’instantané. Les logiciels de traitement d’images sont utilisés pour suivre la croissance de l’hydrate. La figure 2montreune description schématique de la cellule de visualisation des hydrates et la figure 2b montre une vue d’ensemble de l’ensemble du système expérimental. L’hydrate de grain(figure 2a)est nécessaire pour une nucléation et un suivi constants du taux de croissance de l’hydrate. L’hydrate de graine est un petit volume (p. ex., 50 à 100 ll) d’eau pure déposée sur le sol de la cellule d’hydrate. À mesure que la température diminue, la goutte forme de la glace, qui se transforme alors en hydrate à mesure que la température augmente. Le petit morceau de l’hydrate de graine contacte alors la gouttelette d’eau. Ce processus contrôle l’initiation de l’hydrate dans la gouttelette d’eau submergée. Silica desiccant est inséré dans l’espace entre les deux toboggans en verre(figure 2c), qui servent de fenêtres d’observation. Le desiccant de silice aide à réduire la quantité de glaçage et de brouillard sur les fenêtres. Anti-brouillard est également appliqué sur la fenêtre extérieure pour réduire le brouillard. Les images sont capturées avec une caméra CMOS et une lentille de 28 à 90 mm. Une lampe à col d’oie à fibres optiques de 150 W est utilisée pour l’éclairage. Une housse acrylique est placée sur la cellule en laiton afin de limiter l’évaporation du cyclopentane. La plomberie se compose d’une combinaison de tubes flexibles en polytétrafluoroéthylène (PTFE) et de tubes rigides en laiton. Une pompe à seringue avec une seringue en verre de 1 ml et une aiguille de 19 G contrôle le débit de l’eau et de la solution de surfactant. Un transducteur de pression surveille les changements de pression à l’intérieur de la gouttelette de solution de surfactant d’eau. 19 G PTFE tube relie la seringue à la T-fitting et 1/16 in. (1.588 mm) tube en laiton relie le transducteur et crochet en laiton à la T-fitting(figure 2d). Un crochet en laiton d’environ 5 cm de longueur avec une courbure de 180 degrés, génère la gouttelette de solution d’eau/surfactant. La courbure garantit que la gouttelette générée par la seringue se trouve sur le dessus du tube tout au long de l’expérience. Un 1/16 in. en acier inoxydable T-fitting en conjonction avec PTFE écraser ferrules et PTFE fil ruban adhésif sceller les raccords.

À l’aide de cet appareil, nous avons examiné quatre surfactants non ioniques différents avec différents équilibres hydrophiles-lipophiles (HLB) qui sont couramment utilisés dans l’industrie pétrolière : le monolaurate de sorbitane, le monooleate de sorbitane, le PEG-PPG-PEG, et le polyoxyethylènesorbitan tristearate.