לימוד השפעות הסקר על התגבשות מימה ב ממשקי שמן מים באמצעות מכשיר מודולרי משולב בעלות נמוכה

התמריץ להבין את המנגנון של התגבשות מימה ועיכוב נובע מהעובדה כי הידרטים מתרחשים באופן טבעי בצינורות הנפט יכול לגרום לקשיים באבטחת הזרימה. לדוגמה, 2010 מפרץ של מקסיקו שמן לשפוך¹ היה תוצאה של הצטברות מימה במערכת צנרת שמן מתחת למים, גרימת זיהום לסביבה. מכאן, הבנת היווצרות מימה ועיכוב היא חיונית כדי למנוע אסונות סביבתיים עתידיים. רוב הכוח המניע למחקר של התגבשות מימה בשנים האחרונות הוא מאמץ של תעשיית הנפט כדי למנוע הזרמת מייבשים וסתימת הזרימה הבאה. המחקר הראשון כדי לקבוע כי הידרטים היו אחראים לצינורות מחוברים שנעשו על ידי האמרשמידט ב 1934². עד היום, יצרני הנפט מוצאים את זה חשוב מאוד להבין ולעכב היווצרות מימה עבור ביטחון הזרימה³.

דרך אחת למנוע היווצרות מימה היא לבודד צינורות מים עמוקים, כך קרח אינו מגבש. עם זאת, זה יקר לבודד כראוי את הצינורות, ואת העלויות הנוספות יכול להיות בסדר של $1 מיליון/km³. מעכבי תרמודינמיים, כגון מתנול, יכולים להיות מוזרק לתוך הראש כדי למנוע היווצרות של הידרטים. עם זאת, יחסי נפח גדול של מים לאלכוהול, כמו גדול 1:1, נחוצים על מנת למנוע כראוי את היווצרות של הידרטים⁴. לאחרונה, העלות הגלובלית לשימוש מתנול עבור מניעה מימה דווחה כ $220 מיליון/שנה. זה לא כמות בת קיימא של שימוש באלכוהול⁵. בנוסף, השימוש במתנול הוא בעייתי משום שהוא מסוכן לסביבה ואינו יכול לשמש להובלה בקנה מידה גדול⁵. לחילופין, מעכבי קינטי, כגון surfactants, יכול לדכא צמיחה מימה בכמויות קטנות וטמפרטורות של עד 20 ° c⁶. מכאן, נוכחות הגולש יכול להפחית את כמות גדולה של אלכוהול הדרושים למניעה מימה.

פעילי החומרים נחשבים מעכבי טובה עבור התגבשות מימה בשל שתי סיבות עיקריות:

1) הם יכולים לעכב את היווצרות המים באמצעות שינויי רכוש המשטח; ו 2) הם בתחילה לעזור היווצרות של תאים מימה, אך למנוע צמיחה נוספת והנפת הגביש במורד צינור⁷. למרות פיתחה הוכיחו להיות יעיל מעכבי, יש עדיין כמות גדולה של מידע חסר לגבי תהליך התגבשות בנוכחות של מפעילי. בעוד מחקרים מסוימים הראו כי השימוש של הגולש יכול להאריך את הזמן הראשוני התגבשות מימה ב subcoolings מסוימים, מחקרים אחרים מצאו חריגים בריכוזי החומרים הנמוכים. בריכוזים נמוכים של חומרים, טיפות המים נוטות למזג ולהאיץ את תהליך היווצרות מימה⁸. תהליך העיכוב הוסבר על ידי מולקולות חומרים פעילי שטח מפריעה צמיחה מימה מישורי, כפיית מימה לתוך היווצרות גביש חלול-חרוט. גבישי החרוט מהווים מחסום מכני לגידול גביש⁹, וכך מעכבים את הצמיחה.

במחקר זה עיצבנו ומיושם בעלות נמוכה, משולב מכשיר Peltier מודולרי (IMPd) יחד עם תא הדמיה מימה והשתמשו בהם כדי לחקור היווצרות ציקלופנטאן מימה בנוכחות של הגולש nonionic. הסיבה לשימוש ציקלופנטאן במקום גזים במשקל מולקולרי נמוך (למשל, CH₄ ו-CO₂) כי בדרך כלל טופס הידרוטים בתוך מאגרי מים עמוקים, הוא כי גזים אלה דורשים לחצים גבוהים יותר טמפרטורות נמוכות כדי ליצור הידרטים יציבים. מכיוון שהציקלופנטאן יוצרת הידרטים בלחץ סביבתי ובטמפרטורות של עד ~ 7.5 ° c, הוא משמש לעתים קרובות כחומר מודל עבור היווצרות מימה¹⁰.

המכשיר המשולב מודולרי פלוייה (IMPd) מורכב מיקרובקר מקור פתוח, לוחית פלטייר, מצנן מעבד (כיור חום), וחיישן טמפרטורה דיגיטלית עמיד למים. המכשיר יכול לספק טמפרטורה מקסימלית דיפרנציאלי של 68 ° c. רזולוציית הטמפרטורה המינימלית היא 1/16 ° c. המערכת כולה, כולל המעגלים החשמליים והחומרה, ניתן לבנות עבור פחות מ $200. חיישן הטמפרטורה מדווח למיקרו-בקר, השולח אותות פלט לטרנזיסטור. הטרנזיסטור מעביר את הזרם ממקור הכוח הDC דרך האלמנט פלטייר. כיור החום מסייע לצנן את האלמנט של פלטייר על ידי הבאת החום המגיע מהצד החם של הפלטייר לאוויר הסביבתי. רכיבי החומרה המורכבים של מערכת IMPd מוצגים באיור 1, b. איור 1ג מציג את סכימטי החיווט עם כל הרכיבים של לולאת הבקרה (אינטגרלי-אינטגרל-בקרי נגזרות) ומספר הפינים. זרם הפלט של המיקרובקר היה מוגבל עם השער השערים R₁ לזרם המקסימלי של 23 mA (I = 5 V/220 W). _מאפשר למטען השער להתפזר. Figure 1c ולכבות את המערכת כדי לכוונן את בקר ה-PID, שיטות המבוססות על זיגלר-ניקולס בשילוב עם תהליך איטרטיבי משמשות¹¹. סביבת פיתוח משולבת של מיקרובקר (IDE) תוכנה משמשת לניטור ושליחה של פקודות למיקרו-בקר עבור רגולציה בטמפרטורה.

יחד עם IMPd, אנו להחיל גישה הרומן באמצעות טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי. תא הדמיה מימה, אשר ממוקם על גבי IMPd, מורכב תא פליז מצויד שני חלונות צפייה פעמיים. החלונות מאפשרים הקלטת וידאו של תהליך היווצרות מימה על droplet המים ב ציקלופנטאן. מצלמה משלימה תחמוצת המתכת (CMOS) ממוקם מחוץ לחלון ומתמר הלחץ מחובר לקו הזרקת מים כדי לקבל את מדידות הלחץ הפנימי של הירידה. יישום מתמר דיגיטלי משמש כדי לקבל את הקריאות של מתמר הלחץ. מציג מצלמה משמש ללכידת סרטי הווידאו והתמונות ממצלמת ה-CMOS. התוכנה שולטת בתדר החשיפה והתמונה. עיבוד תמונה תוכנות משמשות כדי לעקוב אחר התפתחותם של המיים. איור 2a מראה תיאור סכמטי של התא הדמיה מימה ואיור 2ב מראה סקירה של המערכת הניסיונית כולה. הזרע מימה (איור 2א) נדרש לצורך התגררות עקבית ומעקב אחר שיעור הצמיחה המיימה. הזרע מימה הוא כרך קטן (למשל, 50-100 μL) של מים טהורים הופקד על רצפת התא מימה. כאשר הטמפרטורה פוחתת, צורות הירידה קרח, אשר לאחר מכן פונה מימה כמו הטמפרטורה עולה. החלק הקטן של הזרע מימה ואז לקשר את droplet המים. תהליך זה שולט בתחילתן של המים הזורמים בתוך ה-droplet של מי התהום. התייבשות סיליקה צביעות מוכנס לפער בין שתי שקופיות זכוכית (איור 2ג), המשמשים כחלונות צפייה. החומר לייבוש סיליקה מסייע להפחית את כמות הציפוי והערפול על החלונות. האנטי-ערפל מוחל גם על החלון החיצוני כדי להפחית את הערפול. תמונות נלכדים עם מצלמת CMOS ו 28-90 מ”מ עדשה. מנורה 150 W סיבים אופטיים אווז משמש לתאורה. כיסוי אקרילי מונח על גבי תא הפליז כדי להגביל את האידוי של ציקלופנטאן. הצנרת מורכבת משילוב של צינורות פוליטפלואורואתילן גמישים וצינורות פליז קשיחים. משאבת מזרק עם מזרק זכוכית 1 mL ו 19 המחט G שליטה זרימת המים ופתרון החומרים. מתמר לחץ מפקחת על שינויי הלחץ. בתוך התמיסה של המים, droplet 19 G מצוכי אבובים מחבר את המזרק ל T-התאמה ו-1/16. (1.588 מ”מ) פליז אבובים מחבר את מתמר ומפליז לחבר T-התאמה (איור 2ד). קרס פליז, כ 5 ס מ אורך עם עיקול 180 מעלות, מייצר את המים/הפתרון החומרים droplet. העיקול מבטיח כי ה-droplet שנוצר על-ידי המזרק, מונח על גבי הצינורית במהלך הניסוי. 1/16 בתוך. פלדת אל-חלד המתאימה בשילוב עם כללי המרמוס והדבק הנייר חותם את האביזרים.

באמצעות מכשיר זה, בדקנו ארבעה מפעילי nonionic שונים עם יתרות שונות הידרופיפילית ליפופילית (HLB) כי הם משמשים בדרך כלל בתעשיית הנפט: sorbitane monolaurate, sorbitane monolaurate, יתד-PPG-יתד, ו polyoxyethyאורביניםבית . זה מאוד מהנה