Düşük Maliyetli Entegre Modüler Peltier Cihazı Kullanarak Yağ-Su Arayüzlerinde Hidrat Kristalizasyonu Üzerine Sürfaktan Etkilerinin İncelenmesi

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 kullanılamaz^5. Alternatif olarak, yüzey aktif maddeler gibi kinetik inhibitörler, hidrat büyümesini küçük miktarlarda ve 20 °C^6’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 R_2, kapı yükünün dağılmış olmasını ve sistemi kapatmasını sağlar. PID denetleyicisini ayarlamak için Ziegler-Nichols tabanlı yöntemler ve yinelemeli bir işlem kullanılır^11. 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.