مطالعه تجربی تشکیل هیدرات گازطبیعی سنتز شده در محیط متخلخل

در این پایان نامه، شرایط تعادلی تشکیل و تجزیه هیدرات متان و همچنین هیدرات مخلوط گاز طبیعی سنتز شده درون محیط متخلخل سیلیکاژل به صورت آزمایشگاهی اندازه گیری شده است. برای این منظور از سیلیکاژل به صورت پودر با دانه های کروی با اندازه حفره های 6، 10 و 15 نانومتر استفاده شده است. در مرحله نخست ویژگی های فیزیکی سیلیکاژل 10 و 6 نانومتر که در تحقیقات پیشین اشاره نشده بود توسط روش جذب گاز نیتروژن انجام شده است. مشاهدات نشان داده است که سیلیکاژل دارای توزیعی از اندازه حفره ها در مقیاس مزو می باشد. از این رو می توان آن را مشابه محیط رسوبات دریاها و اقیانوس ها دانست. محققین مختلف از روش های متفاوتی برای انجام ازمایش ها در محیط متخلخل استفاده گرده اند. برای انجام آزمایشات از روش شکلی و گرمایش پلکانی استفاده شده است. مرحله اول انجام آزمایش ها با بررسی شرایط تجزیه هیدرات متان در سه نمونه سیلیکاژل ذکر شده انجام شده است. برای بررسی صحت این کار آزمایشگاهی، نقاط تعادلی به دست آمده با نقاط آزمایشگاهی موجود در مراجع مقایسه شد و از هماهنگی خوبی با کار سایر محققین برخوردار بوده است. در مرحله دوم آزمایش ها بررسی تعادل هیدرات گاز طبیعی سنتز شده در سیلیکاژل برای اولین بار مورد مطالعه قرار گرفته است. در هر دو مورد حضور محیط متخلخل باعث انتقال شرایط تعادلی به دمای پایینتر و فشار بالاتر در مقایسه با آب آزاد می شود. برای بررسی صحت نتایج آزمایشگاهی و همچنین به دست آوردن روشی که بتواند پیش بینی های دقیقتری را ارائه دهد در این کار از مدلسازی ترمودینامیکی نیز بهره گرفته شده است. مرحله اول برای شروع مدلسازی بر آورد پارامتر های لازم برای بر آورد اثر موئینگی و به ویژه انرژی بین سطحی بوده است که این امر با استفاده از داده های تجربی و معادلاتی که در فصل مدلسازی توصیج داده شد میسر شده است. دو رویکرد کلی فعالیت و فوگاسیته برای مدلسازی به کار گرفته شده اند. مدل فعالیت مبتنی بر روش پایه واندروالس پلاتیو و تعادل بین دو فاز است و از برابری پتانسیل شیمیایی استفاده می کند در حالیکه مدل فوگاسیته بر فرض برابری فوگاسیته آب در فاز های مختلف استوار است و درحقیقت تعادل بین سه فاز را در نظر می گیرد. اما از آنجا که انــرژی بین سطحـــی می تواند با توجه به شرایــط محیطی از جمله دما و اندازه حفره تغییر کند، تأثیر این پارامتـــرها با معرفی رابطه ای تجربی در معادلات گنجانده شده است. در نهایت با مطالعه نتایج تجربی به دست امده و مقایسه با نتایج سایر محققین و همچنین بررسی مدل های ترمودینامیکی می توان نتایج زیر را بر شمرد: آب جذب شده توسط سیلکاژل به هیچ وجه جذب شیمیایی نیست بلکه در فرایند تشکیل هیدرات درست مشابه آب درون رسوبات اعماق دریا ها و اقیانوس ها شرکت می کند و شرایط تشکیل هیدرات را به دمای پاییـنتر و فشار بالاتر سوق می دهد. با کاهش قطر حفره های محیط متخلخل شرایط بازدازندگی این محیط افزایش می یابد و این به دلیل افزایش اثر موئینگی و کاهش فعالیت آب می باشد. با کاهش قطر حفره ها به صرف زمان بیشتر و سرمایش تا دمای پائین تری نیاز است چراکه در حفره های کوچک تر کاهـــش نقطه انجماد آب بیشتر است و به طبع نقطه چهار گانه نیز به دمای پایینتری سوق داده می شود با توجه به ویژگیهای سیلیکاژل به کار رفته و مقایسه داده های تجربی به دست آمده با داده های تجربی سایر محققین به این نتیجه میرسیم که هیدرات بر خلاف تصور بسیاری درون حفره های محیط متخلخل تشکیل می شود و نه در فضای بین ذرات محیط. نتایج مربوط به مدلسازی نشان می دهد که در مجموع رویکرد برابری فوگاسیته نتایج بهتری را نسبت به رویکرد فعالیت در اکثر موارد نشان می دهد. برای هیدرات متان در محیط متخلخل این دو مدل دقت تقریبا یکسانی دارند. این دقت برای هیدرات پروپان و اتان برای مدل فعالیت تا حدی کاهش می یابد ودر مورد مخلوط گاز طبیعی نتایج تقریبا مشابهی به دست می آید. با توجه با نتایج مدلسازی می توان گفت قدرت پیش بینی هر دو مدل برای حفره های با شعاع کوچک تر کاهش می یابد که این عامل را می توان به افزایش اثر موئینگی و افزایش فشار لازم برای تشکیل هیدرات نسبت داد. انرژی بین سطحی آب–هیدرات را می توان وابسته به تغییرات دما و نوع ساختار هیدرات و اشغال حفره های پیوندی دانست. به عبارتی در هیدرات با ساختار ii که دارای حفره های پیوندی بیشتری است انرژی بین سطحی افزایش می یابد. و از سوی دیگر با افزایش دما و افزایش درصد اشغال حفره ها انرژی بین سطحی کاهش می یابد. اصلاح پارمتر انرژی بین سطحی و استفاده از آن در مدل فعالیت نتایج پیش بینی مربوط به مخلوط گاز طبیعی را بهبود می بخشد.