Estudio del proceso de formación de hidratos de metano para emulsiones agua/aceite + tensoactivo
Fecha
2018-09-11Registro en:
Pérez López, Hugo Isidro. (2018). Estudio del proceso de formación de hidratos de metano para emulsiones agua/aceite + tensoactivo (Doctorado en Ciencias en Ingeniería Química). Instituto Politécnico Nacional, Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas, México.
Autor
Pérez López, Hugo Isidro
Institución
Resumen
RESUMEN:
Desde que se inició la producción de combustibles fósiles, han persistido retos relacionados con el aprovechamiento y eficiencia en la producción y uso de estos recursos. Actualmente, las obstrucciones causadas por los hidratos de gas en las líneas de producción de petróleo, el aprovechamiento de hidratos de gas natural en yacimientos situados en el permafrost, el desarrollo de procesos para almacenamiento y transporte de gas, así como procesos de separación de mezcla de gases por medio de hidratos, han llevado a investigar, desarrollar y aportar conocimiento en el fenómeno de hidratos de gas. Por lo tanto, en este trabajo se estudiaron los procesos de formación y disociación de hidratos de metano en soluciones acuosas y en emulsiones de agua/petróleo crudo, incluyendo la presencia de tres diferentes tensoactivos clasificados como aditivos de baja dosificación. Los experimentos sobre hidratos de gas se realizaron empleando un aparato fundamentado en el método isocórico, el cual cuenta con un interfaz de adquisición de datos donde se registran y almacenan las variables, presión, temperatura y tiempo. Inicialmente, para establecer que esta metodología funciona sobre la configuración propuesta en el aparato, las condiciones de temperatura y presión en el equilibrio hidrato – líquido – vapor (H–L–V) obtenidas en este trabajo se compararon con información disponible en la literatura. Para ello se realizaron experimentos de formación y disociación de hidratos de gas empleando en cada sistema agua – gas, nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4). El comportamiento de la curva de equilibrio de cada sistema obtenida en este trabajo es congruente con lo que se reporta en la literatura. Posteriormente, las condiciones de formación y disociación de hidratos de metano se estudiaron en presencia de tres tipos de tensoactivos: no-iónico, Synperonic PE/F127 (PE/F127); catiónico, bromuro de hexa-decil-trimetil-amonio (CTAB); y iónico, dodecilsulfato sódico (SDS). Las soluciones acuosas (agua - tensoactivo) se prepararon previamente a tres diferentes concentraciones: (377, 710, 1530) ppm para PE/F127, (356, 705, 1500) ppm para CTAB y (376, 701, 1510) ppm para SDS. En todos los experimentos de hidratos se establecieron cinco presiones iniciales en el intervalo de 3.5 a 12.0 MPa y la temperatura de enfriamiento necesaria para alcanzar la formación se fijó cerca del punto de fusión del agua (273.15 K). Las mismas condiciones experimentales de los sistemas metano + agua + tensoactivo se utilizaron en el estudio de hidratos de metano para emulsiones tipo agua/petróleo crudo (W/O) en presencia del tensoactivo SDS en la fase dispersa a concentraciones de (376, 703, 1502) ppm. El efecto ocasionado por los tensoactivos en el proceso de formación y disociación de hidratos de metano en soluciones acuosas y emulsiones W/O, se evaluó y reportó en función del tiempo de inducción, temperatura de cristalización, tasa de crecimiento, consumo teórico de metano, condiciones de equilibrio H–L–V y entalpía de disociación. Los resultados muestran diferentes efectos en cada sistema con tensoactivo. El tiempo de inducción fue menor para el SDS a alta concentración, el cual tiene una relación con la presión inicial. El metano capturado en los hidratos con PE/F127 parece incrementar en relación con el aumento de la presión inicial y en comparación con el sistema sin tensoactivo, pero el mayor consumo de gas se observó para los hidratos formados en presencia de SDS a 350 ppm. La tasa de crecimiento para hidratos con PE/F127 mejoró a presiones bajas; no obstante, el CTAB tendió a retrasar esta tasa de crecimiento del hidrato. Finalmente, las condiciones de presión y temperatura en la disociación, establecidas como el equilibrio de fases (H–L–V), no se modificaron significativamente por la presencia de tensoactivos.
ABSTRACT:
Since the beginning of fossil fuels production, challenges have persisted related to the exploitation, efficiency in the production and use of these resources. Currently, the crude oil pipeline blockages caused by gas hydrates, the exploitation of natural gas hydrates from subsoil in permafrost, the process development for gas storage, and gas transportation, as well as separation processes for gas mixtures using hydrates, have focused the interest on research, development and knowledge contribution for gas hydrates phenomena. Therefore, the formation and dissociation of methane hydrate processes were studied in this work for aqueous solutions and water – crude oil emulsions, including the presence of three kinds of surfactants that are classified as low dosage additives. The gas hydrate experiments were carried out by using an apparatus based on the isochoric method. The experimental apparatus has a data acquisition system where the variables pressure, temperature and time were registered and stored. To establish that this methodology works adequately on the proposed apparatus configuration, the temperature and pressure conditions in the hydrate – liquid – vapor (H–L–V) equilibrium obtained in this work were compared with related information reported in the literature. For this purpose, experiments about gas hydrate formation and dissociation were performed using on each water – gas system, nitrogen (N2), carbon dioxide (CO2) and methane (CH4). Later, the conditions in formation and dissociation methane hydrate were studied in the presence of three surfactants: non-ionic, Synperonic PE/F127 (PE/F127); cationic, hexadecyl-trimethyl-ammonium bromide (CTAB); and ionic, sodium dodecyl-sulfate (SDS). These surfactants were previously synthesized in aqueous solutions (water – surfactant) at three different concentrations: (377, 710, 1530) ppm for PE/F127, (356, 705, 1500) ppm for CTAB and (376, 701, 1510) ppm for SDS. Five initial pressures were fixed in the range of 3.5 to 12.0 MPa and the cooling temperature was set to the nearest of the water melting point (273.15 K) in all the experiments. The same experimental conditions in methane + water + surfactant systems were applied in the methane hydrate study for water / crude oil (W / O) emulsions with SDS surfactant in the dispersed phase at concentrations of (376, 703, 1502) ppm.
The effect caused by each surfactant in the formation and dissociation hydrate processes, for aqueous solutions and W/O emulsions, was evaluated and reported as a function of induction time, crystallization temperature, growth rate, theoretical methane consumption, equilibrium conditions hydrate - liquid - vapor (H-L-V) and enthalpy of dissociation. According to the results, each surfactant has different effects. The induction time was lower for SDS at high concentration and is related with the initial pressure. The captured methane in hydrates with PE/F127 seems to increase respect to the increase in initial pressure; the highest gas consumption was observed for the hydrates formed in the presence of SDS at 350 ppm. The growth rate for hydrates with PE/F127 improved at low pressures; in contrast, CTAB tended to delay this growth. Finally, the dissociation conditions stated as the H-L-V equilibrium did not change significantly; temperature and pressure at this condition depends on the surfactant concentration.