Газовые гидраты (ГГ), твердые кристаллические препараты, — традиционные адепты клатратных соединений, наружным обликом напоминающие снег или же рыхловатый лед. Возможностью создавать гидраты владеют все гидрофобные газы и легколетучие органические воды, молекулы коих имеют габариты в границах 3,8–9,2 Å (Ar, N2, O2, CH4, C2H4, C2H6, C3H8, изо-С4Н10, Cl2, CS2, галогенопроизводные углеводородов С1–С4 и т. д.), а еще кое-какие гидрофильные соединения (СО2, SO2, окись этилена, тетрагидрофуран (ТГФ), ацетон), взаимодействие коих с водой довольно слабенькое и не имеет возможность мешать клатратообразованию.
Ключевые слова: газогидраты, соединение, получение газогидратов, битум, экология.
Keywords: gas hydrates, compound, gas hydrate production, bitumen, ecology.
В ходе исследования эксперимента появляется вопрос, каким образом препараты, не имеющие ни малейшего химического сродства, например вода, с одной стороны, и благородные газы или же углеводороды, с иной, имеют все шансы вести взаимодействие с образованием термодинамически стойких соединений. Собственно дело в том, что в эталоне меж владельцем и постояльцем есть только некрепкие межмолекулярные (ван-дер-ваальсовые) взаимодействия (водный клатратный каркас). В связи с этим, невысокие издержки энергии, важной для перестройки льда в клатратный каркас, приводят к выигрышу энергии по сопоставлению с энергией консистенции компонента в тех же критериях. Вследствие этого гидратообразующие препараты, заключенные в водно-клатратный каркас, буквально охраняют собственную химическую идентичность, как и вода.
Впрочем, газогидраты вызывают беспокойство не только в связи с их внедрением в качестве горючего и химсырья, но и в итоге выброса метана в атмосферу как при разработке газогидратных месторождений. Маленькие конфигурации термодинамических (климатических) критериев, ближайших к лимиту фазовой стойкости газогидратов, обязательно вызовут нешуточные экологические и климатические трудности. Одним из вероятных и более популярных сейчас считается массовое потепление Земли, вызванное усилением парникового эффекта, потому что удельное поглощение термического излучения Земли метаном (радиационной активностью) приблизительно в 21 раз выше, чем углекислым газом.
Рис. 1. Распределение органического углерода на Земле (исключая рассеянный в виде битума и керогена)
Получение искусственных газогидратов
В последние годы во всем мире наблюдается тенденция к постоянному наращиванию употребления топливно-энергетических ресурсов, в связи с этим значимо увеличивается интерес к нестандартным источникам энергии. С практической точки зрения итоги лабораторных исследований процесса образования газогидратов важны для совершенствования современных технологий добычи, поиска, разведки, хранения и транспортировки газа, полученного из газогидратных залежей, повышения экономической и технической безопасности ведения разработки месторождений газогидратов, разработки новейших технологий добычи газа из газогидратов.
Ныне существующие технологические системы получения газогидрата в лабораторных критериях возможно систематизировать как на рисунке 2.
Рис. 2. Классификация технических систем получения газогидрата в лабораторных условиях
Установка «Газогидрат-3М»
Исследованием всевозможных добавок, которые воздействуют на условия гидратообразования, проводились также в Институте криосферы Земли СО РАН. Для опытных изучений образования газовых гидратов был применен аппарат «Газогидрат-3М» и лабораторный газовый хроматограф «Хроматэк-Кристалл 5000.2» в лаборатории кафедры физической и коллоидной химии РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина. Аппарат изучения гидратов «Газогидрат-3М» предназначен для исследования газовых гидратов как в двухфазной: «газ-вода», так и в трехфазной смеси: «нефть-газ-вода». Установка выделяет вероятность наблюдать образование и разрушение гидратов в объеме при изотермическом или изохорном процессе, смешивать исследуемую смесь, моделируя перемещение жидкости по трубам, осуществлять автоматический сбор данных измеряемых параметров. В состав установки входит пакет ПО и компьютер. Область использования установки: 1) получение сбалансированных кривых гидратообразования; 2) испытания ингибиторов гидратообразования; 3) испытания катализаторов гидратообразования; 4) деление газовых консистенций гидратным методом; 5) опреснение солевых растворов; 6) вероятность проведения вышеперечисленных работ в насыпной пористой среде.
На рис. 3 показана схема установки гидратообразования. С помощью специальной программы MathCAD в автоматическом режиме выполняется запись с заданным интервалом 5 с. главных параметров, а также ведется постоянная видеосъемка за процессом камерой, установленной на фланце ячейки. В ходе испытания было необходимо держать постоянную температуру внутри ячейки Тбом = 3 °С.
В ходе проведения исследования по образованию газогидрата можно наблюдать, что в интервале от начала до 280 мин. абсолютное давление в ячейке понижалось с 16,21 по 15,07 атм. за счет падения температуры внутри ячейки с комнатной температуры до температуры исследования. Для быстрого образования газогидратов недостаточно только термобарического условия. Так как на поверхности образуется пленка газогидрата, которая мешает дальнейшему гидратообразованию вследствие уменьшения скорости диффузии газа к жидкости, необходимо также перемешивание исследуемой среды. В интервале от 280 до 460 мин. эксперимента при включенном качающем механизме ячейки давление снижается до 14,66 атм., происходит растворение газовой смеси в воде после включения. На 460-й мин. эксперимента наблюдается появление гелеобразного образования на поверхности воды. За 30 мин. с момента кристаллизации весь объем занятой ячейки представляет собой гелеобразную массу (наподобие прокисшего молока). Давление с момента кристаллизации резко уменьшается с 14,66 до 11,8 атм. за 300 мин. В этом интервале наблюдается образование из сжиженной гелеобразной массы в льдинки (кристаллогидраты) округлой формы d = 2–3 мм. В интервале от 700 мин. наблюдаются более мелкие кристаллики (d = 2–3 мм), которые присоединяются к более крупным округлой формы кристаллогидратам.
Рис. 3. Схема установки гидратообразования
В заключении можно сделать выводы:
- Исследования в природных и лабораторных условиях образования и разрушения газовых гидратов необходимы для охраны окружающей среды и надежного функционирования различных производственных процессов.
- Технология транспортировки природного газа в газогидратной форме является наиболее безопасной и имеет ряд существенных преимуществ, но находится на стадии совершенствования и отработки элементов технологической цепочки.
- Установки для производства газогидратов, как действующие, так и находящиеся на стадии разработки, позволяют совершенствовать способ осуществления процесса гидратообразования.
Литература:
- Бондаренко В. И. Получение искусственных газовых гидратов из метановоздушной смеси дегазационных скважин: отчет о НИР № АД404/27577 ДС / [В. И. Бондаренко, Э. А. Максимова, Н. П. Овчинников и др.]. Днепропетровск: НИИ горных проблем АИН Украины, 2013. 48 с.
- Бондаренко В. И., Светкина Е. Ю., Сай Е. С. Исследование механизма образования газогидратов метана в присутствии поверхностноактивных веществ. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2017. № 5/6 (89). С. 21–30.
- Бондаренко В. И., Светкина Е. Ю., Сай Е. С. Технологии органических и неорганических веществ. Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2017. № 5/6 (89). С. 48–55.
- Бондаренко В.І., Максимова Е. О., Овчинніков М. П. Про технологію виробництва штучних газових гідратів. Уголь Украины. 2015. С. 33–37.
- Бык С. Ш., Макогон Ю. Ф., Фомин В. И. Газовые гидраты. М.: Химия, 1980. 296 с.
- Воробьёв А. Е., Малюков В. П., Рыгзынов Ч. Ц. Экспериментальное исследование образования газовых гидратов. Вестник РУДН, серия Инженерные исследования. 2012. № 2. С. 85–93.
- Гошовский С. В., Зурьян А. В. Способы и технологии добычи газа метана из аквальных газогидратных формирований. Мінеральні ресурси України. 2018. № 3. C. 124–127.
- Макогон Ю. Ф. Природные газовые гидраты: распространение, модели образования, ресурсы Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева). 2003. т. ХLVII. № 3. С. 70–79.
