Создание реагентов на основе полисахаридов и гидроалюмосиликатов для контроля нуклеации и роста газовых гидратов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-79-10328

НазваниеСоздание реагентов на основе полисахаридов и гидроалюмосиликатов для контроля нуклеации и роста газовых гидратов

Руководитель Стопорев Андрей Сергеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина" , г Москва

Конкурс №98 - Конкурс 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые слова Газовые гидраты, кинетика гидратообразования, галлуазит, каолин, монтмориллонит, бентонит, сепиолит, агароза, целлюлоза, транспортировка газа, хранение газа, четвертичные аммониевые основания

Код ГРНТИ31.15.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Гидраты природного газа относятся к льдоподобным соединениям включения, которые формируются в условиях пониженных температур и повышенных давлений без образования дополнительных ковалентных связей между гидратообразователем и водой. В данном проекте предполагается провести систематическое изучение влияния природных и модифицированных полисахаридов (целлюлоза, агароза), а также гидроалюмосиликатов (галлуазит, каолин, монтмориллонит, бентонит, сепиолит) на нуклеацию и рост газовых гидратов. Целлюлоза и агароза не растворяются в воде, однако являются гигроскопичными материалами с развитой поверхностью. Гидрофильность и значительная удельная поверхность таких материалов позволяет предположить, что их использование в процессах гидратообразования будет способствовать более высокой скорости нуклеации гидрата. Кроме того, существует возможность простой химической модификации таких материалов для дальнейшего улучшения гидратообразующих свойств. Природные гидроалюмосиликаты примечательны по следующим параметрам: галлуазит является распространенным и биосовместимым материалом. Благодаря развитой поверхности, несущей электрический заряд, галлуазит обладает способностью связывать ионы и может быть легко функционализирован. Бентонит и монтмориллонит обладают способностью к сильному набуханию, ненабухающие каолин и сепиолит образуют микрокристаллические структуры. Указанные выше объекты представляют значительный интерес по нескольким параметрам. Во-первых, ввиду своей развитой удельной поверхности, их можно использовать в качестве промоторов гидратообразования. Во-вторых, модификация путем их химической функционализации и/или нанесения на их поверхность наночастиц различных веществ позволяет получить материалы с различными свойствами поверхности. В-третьих, в литературе практически отсутствуют данные об их влияния на гидратообразование. Мы предлагаем создание реагентов для контроля гидратообразования на основе указанных материалов. Такой подход позволит реализовать решение актуальной проблемы формирования гидратных отложений в скважине и промысловом трубопроводе при добыче и транспортировке нефти и газа. Обычно для этих целей в поток перекачиваемого флюида вводятся ингибиторы гидратообразования различного типа (один из возможных вариантов действия предлагаемых реагентов в зависимости от их строения). Также рассматриваемый проект предполагает проводить осушку флюида от воды (пары, эмульгированные капли) путем формирования гидрата. Планируется вводить в систему поверхности, промотирующие нуклеацию и рост гидрата, что позволит локализовать и интенсифицировать процесс. Возможность быстрого и локального формирования гидратов также даст новый толчок развитию гидратных технологий хранения и транспортировки газа, слабой стороной которых является низкая скорость связывания газа в гидрат.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
- Изучена кинетика нуклеации, роста и агломерации гидратов различных газов (CH4, CO2, CH4/C3H8), образующих гидраты структур sI и sII. - Показано, что на более низкая скорость нуклеации наблюдается для гидратов sII CH4/C3H8 по сравнению с гидратами sI CH4 и sI CO2. - При ∆To = 2.8 K скорость нуклеации гидрата CO2 в 3 раза больше, чем у CH4. При ΔTo = 3.8 K скорости нуклеации гидратов CH4 и CO2 равны (3.5·10–3 s–1). Значение J для метана примерно на 25 % больше, чем для углекислого газа при ΔTo = 4.6 K. Скорость нуклеации гидратов sII CH4/C3H8 наблюдается в 4.8–7.4 раза меньше, чем у гидратов sI CH4 в диапазоне ΔTo = 4.2–4.6 K. Нуклеация гидратов sI CH4 и sII CH4/C3H8 происходит с одинаковой скоростью, 10–3 s–1, при переохлаждении 3.1 K и 4.4 K соответственно. Таким образом, нуклеация sII природных газовых гидратов происходит медленнее, чем нуклеация sI метанового гидрата при фиксированной движущей силе. - Определены исловые значения кинетического параметра A и термодинамического параметра B' нуклеации гидратов sI CH4, sI CO2 и sII CH4/C3H8 были . Параметр B', который пропорционален работе нуклеации, составляет 4908±43 K3, 9294±140 K^3 и 17666±282 K^3 для гидратов sI CO2, sI CH4 и sII CH4/C3H8 соответственно. Таким образом, работа нуклеации гидрата sI углекислого газа в 1.9 раза меньше, чем у гидрата sI метана и в 3.6 раза меньше, чем у гидрата sII метано-пропановой смеси. Анализ объясняет, почему нуклеация гидрата sI CO2 происходит при более низком перехлаждении и более высокой скорости. - Рост гидрата CO2 при охлаждении происходит в непосредственной близости к линии трехфазного равновесия, что указывает на отсутствие ограничений диффузии во время образования гидрата углекислого газа. - Для CO2 при постоянном ∆To значение скорости роста примерно на порядок больше, чем наблюдаемое для CH4. Для всех газов наблюдается линейная корреляция между начальной скоростью роста и ∆To. - Анализ динамики процесса агломерации гидратов по изменению момента (∆M) показал, что наиболее значительное увеличение этого значения в конце стадии охлаждения было для гидрата sI CH4. Напротив, наименьшее изменение значения ∆M было зафиксировано для гидратов sII CH4/C3H8. Более того, было выявлено явление немонотонного изменения момента с ростом количества газового гидрата в системе. - Сравнение кинетических характеристик образования гидратов для различных газов показывает, что углекислый газ особенно эффективен для быстрого образования гидратов. - Получен перспективный ингибитор образования гидратов метана и природного газа на освнове нанофибриллярной целлюлозы с привитыми цепями полимера PNIPAM. - Показано, что микросферы агарозы значительно ускоряют нуклеацию гидрата метана, тогда как галлуазит - нуклеацию гидрата СО2, особенно на металлической поверхности.

Публикации

1. Стопорев А.С. Контроль нуклеации и роста газовых гидратов Cборник трудов II Арктического конгресса. Якутск: Издательский дом СВФУ, 2024., Арктика – территория стратегических научных исследований [Электронный ресурс] : сборник трудов II Арктического конгресса. Якутск, 20-22 сентября 2024 г. / [под ред. М.П. Лебедева]. – Якутск: Издательский дом СВФУ, 2024. С. 389-393. ISBN 978-5-7513-3765-0 (год публикации - 2024)