مطالعه آزمایشگاهی و مدل‌سازی سینتیکی تشکیل هیدرات کربن‌دی‌اکسید در حضور مایعات یونی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شیمی و نفت- دانشگاه صنعتی شریف

2 پ‍ژوهشکده علوم و فناوری‌های شیمیایی- پژوهشگاه صنعت نفت

3 پژوهشگاه‌صنعت نفت

چکیده

در این پژوهش، تأثیر دو مایع یونی 1- بوتیل 3- متیل ایمیدازولیوم تترافلوئوروبورات [Bmim][BF4] و 1- بوتیل 3- متیل ایمیدازولیوم متیل سولفات [Bmim][MS] بر سینتیک تشکیل هیدرات‌ کربن‌دی‌اکسید بررسی شده است. در عمل و در فشار اولیه bar 35 و در حضور این دو مایع یونی با غلظت جرمی، مشاهده شد که [Bmim][BF4] و [Bmim][MS] 6/0% با کاهش زمان القاء و هسته‌زایی، موجب تسریع فرآیند تشکیل هیدرات کربن‌دی‌اکسید شده و به عنوان یک بهبود دهنده سینتیکی عمل می‌کنند، به طوری که به ترتیب دارای ضریب بهبود دهندگی 68% و 52% می‌باشند. پس از مطالعه و بررسی سینتیکی تشکیل هیدرات، مدل‌سازی سینتیکی این پدیده در فرآیند حجم ثابت و پیش‌بینی تغییرات فشار-زمان، با استفاده از مدل و مکانیسم واکنش شیمیایی اصلاح شده (مشتمل بر چند واکنش متوالی) انجام شد. نتایج نشان می‌دهد که مدل مورد استفاده می‌تواند تغییرات فشار گاز در مدت زمان هسته‌زایی و رشد هیدرات را با دقت خوبی پیش‌بینی نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Study and Kinetic Modeling of Carbon Dioxide Hydrate Formation in the Presence of Ionic Liquids

نویسندگان [English]

  • Mohammadreza Moradi 1
  • Amir Naser Ahmadi 2
  • Khodadad Nazari 3
  • Cirus Ghotbi 1
  • Vahid Taghikhani 1
1 Chemical and Petroleum Engineering Department, Sharif University of Technology
2 Chemical Sciences and Technology Division, Research Institute of Petroleum Industry
3 Chemical Sciences and Technology Division, Research Institute of Petroleum Industry
چکیده [English]

In this study, the kinetic effects of two ionic liquids (ILs), namely 1-butyl-3-metylimidazolium tetrafluoroborate ([Bmim][BF4]) and 1-butyl-3-metylimidazolium methyl sulfate ([Bmim][MS]), on the formation of carbon dioxide hydrate were investigated. The kinetic study confirmed that two ILs at concentration of 0.6 wt% and an initial pressure of 35 bar decreased the induction and nucleation time of carbon dioxide hydrate. Therefore, they can be considered as kinetic promoters. The promotion factor of [Bmim][BF4] and [Bmim][MS] were 68% and 52% respectively. Subsequent to the kinetic study of CO2 hydrate formation, the kinetic modeling of CO2 hydrate formation was carried out using the steady-state approach via a modified multi-step chemical reaction mechanism. The proposed model could reliably predict the pressure-time profiles; the experimental and the data calculated based on the integrated kinetic equations are in good agreement. The results showed that the proposed model could be used for the accurate prediction of the nucleation and crystal growth of CO2 gas hydrates.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gas Hydrate
  • Ionic Liquids
  • Kinetic Modeling
  • Kinetic Promoter
  • Promotion Factor
مراجع

[1]. Sloan E. D., and Koh C. A., Clathrate hydrates of natural gases, (3rd Edition). New York: Taylor & Francis Group, 2008.

[2]. Carroll J., Natural Gas Hydrates: A Guide for Engineers, (2nd Edition). USA:Elsevier, 2009.

[3]. Hashemi S, Macchi A, Bergeron S, and Servio P., “Prediction of methane and carbon dioxide solubility in water in the presence of hydrate”, Fluid Phase Equilibria, 2006, 131-136.

[4]. Makogon Y. F., Hydrates of Hydrocarbons, (1st Edition). Tulsa, OK: Pennwell Publishing Company, 1997.

[5]. Vysniauskas A., and Bishnoi P. R., A kinetic study of methane hydrate formation, Chem. Eng. Sci., 38, 1983, 1061–1072.

[6]6 Englezos P., Kalogerakis N. E., Dholabhai P. D. and Bishnoi P. R. “Kinetics of formation of methane and ethane gas hydrates”, Chem. Eng. Sci., 42, pp. 2647–2658, 1987.

[7]. Lekvam K., and Ruoff P. “A reaction kinetic mechanism for methane hydrate formation in liquid water”, J. Am. Chem. Soc., 115, pp. 8565–8569, 1993.

[8]. Welton T., “Room-Temperature Ionic Liquids. Solvents for Synthesis and Catalysis”, Chem. Rev., pp. 2071-2083, 1999.

[9]. Chen Q., Yu Y., Zeng P., Yang W., Liang Q., Peng X., Liu Y., and Hu Y., “Effect of 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate on the formation rate of CO2 hydrate” J. Nat. Gas Chem., pp. 264–267, 2008.

[10]. Xiao C., and Adidharma H., “Dual function inhibitors formethane hydrate”, Chem. Eng. Sci., pp. 1522–1527, 2009.

[11]. Xiao C., Wibisono N., and Adidharma H., “Dialkylimidazolium halide ionic liquids as dual function inhibitors for methane hydrate”, Chem. Eng. Sci., 3080–3087, 2010.

[12]. Villano L. D., and Kelland M. A., “An investigation into the kinetic hydrate inhibitor properties of two imidazolium-based ionic liquids on Structure II gas hydrate”, Chem. Eng. Sci., 5366–5372, 2010.

[13]. Larson M. A. and Garside J., “Solute clustering in supersaturated solutions”, Chem. Eng. Sci., pp. 1285-1986, 1986.

[14]. Monfort J. P., Nzihou A., “Light scattering kinetics study of cyclopropane hydrate growth”, J. Crystal Growth, 128, pp. 1994, 1182- 1186.

[15]. Larson M. A. and Garside J., “Solute clustering in supersaturated solutions”, Chem. Eng. Sci., pp. 1285-1986, 1986.

[16]. Monfort J. P. and Nzihou A., Light scattering kinetics study of cyclopropane hydrate growth, J. Crystal Growth, 128, 1994, 1182- 1186.

[17]. Sloan E. D., Subramanian S., Matthews P. N., Lederhos J. P. and Khokhar A. A., “Quantifying Hydrate Formation and Kinetic Inhibition”, Ind. Eng. Chem. Res., 37, 3124–3132, 1998.