Gaz hidratlardan metanın çıkarılması. Büyük petrol ve gaz ansiklopedisi

Koryakina V.V. 1, Semenov M.E. 2, Kahretsin E.Yu. 3, Portnyagin A.Ş. 4

1 Asistan Araştırmacı, 2 Asistan Araştırmacı, 3 Teknik Bilimler Doktoru, 4 Asistan Araştırmacı, Petrol ve Gaz Sorunları Enstitüsü, Rusya Bilimler Akademisi Sibirya Şubesi

KAPALI TİP TESİSATLARDA ÜRETİLEN METAN VE ETANIN SENTETİK HİDRATLARININ BİLEŞİMİNİN ARAŞTIRILMASI

Dipnot

Makale, kapalı yüksek basınçlı oda reaktörlerinde sentetik metan ve etan hidratların üretilmesinin özelliklerine ilişkin araştırma sonuçlarını sunmaktadır. İzokorik koşullar altında gaz hidrat üretme prosesinin, farklı zamanlarda bir indüksiyon periyoduna sahip olduğu, etan hidratların oluşum sürecindeki süresinin metandan oluşan hidratlara göre daha az olduğu tespit edilmiştir. Reaktör odası içinde ilave metal büyüme yüzeylerinin varlığının, indüksiyon periyodunda bir azalmaya ve buz-hidrat karışımındaki hidratın kütle içeriğinde bir artışa yol açtığı gösterilmiştir. Hesaplamalar şunu gösteriyorsentetik olarak üretilen metan hidratların bileşimi 7,67 olarak tanımlanmaktadırCH 4 *46 H 2 Ove etan hidratın bileşimi neredeyse idealdir - 5.95C 2 H 6 * 46H 2 O. Çalışmanın sonuçları, gazı katı konsantre duruma dönüştürme işleminin verimliliğini artırmak için yeni teknik yöntemler geliştirmek için kullanılabilir ve Hidrokarbon hammaddelerinin bağımsız bir taşıma ve depolama türü olarak gaz hidrat teknolojilerinin oluşturulması.

Anahtar kelimeler: metan, etan hidratlar, izokorik koşullar, kapalı tip tesisler, gaz hidratın kütle içeriği.

Koryakina V.V. 1,Semenov M.E. 2, Shitz E.Yu. 3, Portnyagin A.Ş. 4

1 Asistan araştırmacı, 2 Asistan araştırmacı, 3 Mühendislik Doktorası, 4 Asistan araştırmacı, Petrol ve Gaz Sorunları Enstitüsü SB RAS

KAPALI TİP TESİSATLARDA ALINAN METAN, ETAN SENTETİK HİDRATLARIN YAPISININ ARAŞTIRILMASI

Soyut

Makalede, kameralarda - kapalı tip yüksek basınçlı reaktörlerde sentetik metan ve etan hidratları elde etme özelliklerine ilişkin araştırmaların sonuçları verilmektedir. İzokhornykh koşullarında gaz hidrat alma işleminin, zamanla farklı olan, etan hidratlarının oluşumu sırasında metandan oluşan hidratlara göre daha az olan bir indüksiyon periyoduna sahip olduğu tespit edilmiştir. Reaktör odasında ilave metal büyüme yüzeylerinin varlığının, indüksiyon süresinin kısalmasına ve "buz-hidrat" karışımındaki hidratın kütle içeriğinin artmasına yol açtığı gösterilmiştir. Hesaplamalar, sentetik olarak alınan metan hidratlarının yapısının 7.67CH4 *46H2O olarak tanımlandığını ve etan hidratının yapısının neredeyse ideal – 5.95C2H6 *46H2O olduğunu göstermektedir. Araştırmanın sonuçları, gazın yoğunlaştırılmış haldeki dönüşüm sürecinin verimliliğinin artırılmasına yönelik yeni tekniklerin geliştirilmesi ve hidrokarbonik hammaddelerin bağımsız bir taşıma ve depolama türü olarak gaz-hidrat teknolojilerinin yaratılması için kullanılabilir.

Anahtar Kelimeler: metan gaz hidratları, etan, izokhorny koşulları, kapalı tip tesisler, gaz hidratın kütle içeriği.

Giriiş. Kütle dengesi açısından, hidrat oluşumuna yönelik laboratuvar koşulları iki türe ayrılabilir: açık - denge koşulları altında hidrat oluşumu meydana geldiğinde, hidrat oluşturan gazın akışı nedeniyle sistemdeki sabit basınç sağlanır; kapalı - ilave hidrat oluşturucu akışı olmadan tüm sistemdeki termobarik koşullardaki değişiklikler nedeniyle hidrat oluşumu meydana geldiğinde. Gaz hidrat üretimi için açık koşullar izotermal ve izobarik tesislerde, kapalı koşullar ise yalnızca izokorik tesislerde gerçekleştirilir. Açık koşullar altında hidrat üretme işlemleri esas olarak hidrat oluşum sürecinin termodinamik özelliklerini incelemek için kullanılır ve bakımı oldukça enerji yoğun olan denge koşulları altında gerçekleştirilir. Bunun aksine, izokorik koşullar altında, hidrat büyümesi, hidrat oluşturucu bileşenin ilave akışı olmadan meydana gelir. Bu sürecin gerçekleştiği kurulumlar donanım ve teknik tasarım açısından daha basittir.

Dolayısıyla çalışmanın amacı, kapalı tip tesislerde basit metan ve etan hidratların elde edilmesi, bu prosesin verimliliğinin ana parametresi olarak sentetik olarak elde edilen numunelerdeki gaz hidratın kütle içeriğinin belirlenmesiydi.

Gaz hidratlar, klatrat tipi gazların ve suyun stokiyometrik olmayan bileşikleridir. Hidratların yapısı gaz molekülleriyle dolu su boşluklarından oluşur. Yapılarına göre hidratlar birçok türe ayrılır; bunların en yaygın olanı kübik yapı türleri KS-1 ve KS-2'dir.

Bireysel gazların ve bunların karışımlarının belirli bir yapıya sahip hidratlar oluşturabileceğine göre temel kurallar vardır:

1. Konuk molekülün boyutu ile su boşluklarının boyutu arasındaki orantı, gazın kristalin bir hidrat oluşturma olasılığını belirler;
2. Kararlı bir hidrat yapısı oluşturmak için konuk molekülün boyutunun, konakçı sulu boşluğun boyutuna optimal oranı 0,86-0,98 aralığında olmalıdır. 0,8'in altındaki değerlerde konuk molekül, boşluktaki su moleküllerini itme konusunda yeterince iyi bir iş çıkarmaz, bunun sonucunda kararsız hale gelir veya çöker. Örneğin, bir metan molekülü herhangi bir yapının herhangi bir boşluğuna girebilir, ancak KS-1 yapısının büyük boşluklarını KS-2 yapısından daha iyi destekler (yapılardaki çapların oranı sırasıyla 0,74 ve 0,66'dır) ). Bu nedenle saf metan, en kararlı olduğu için KS-1 yapısının bir hidratını oluşturur. Aynı durum etan hidrat için de geçerlidir, çünkü KS-2 yapısı için 0,84'lük çap oranı yeterli değildir, bu nedenle etan esas olarak KS-1 yapısında bir hidrat oluşturur ve yalnızca büyük boşluklar etanla doldurulur. 3. Konuk molekülün boyutunun konakçı sulu boşluğuna oranı, hidrat oluşum sürecinin denge T, P değerlerini belirler: sıcaklık ne kadar düşükse, denge basıncı da o kadar yüksek olur. Bu nedenle metan, diğer tüm gazlardan daha yüksek basınçlarda bir hidrat oluşturur ve metana %1 propan eklenmesi bile denge basıncını %42 azaltır (sırasıyla T = 280,4 K'de 5,35 MPa'dan 3,12 MPa'ya). Etan, metanla karşılaştırıldığında çok daha düşük basınçlarda bir hidrat oluşturur.

Dolayısıyla hidrat oluşturan gazın bileşimi, belirli bir yapıdaki hidrat gazının oluşumundan sorumlu olan ana faktördür ve oluşumu için koşulları belirler.

Deneysel kısım.Kapalı tesislerde metan ve etan hidrat üretimi.

Çalışmada kapalı yüksek basınçlı reaktör odalarında belirli miktarlarda su ve gazdan (Tablo 1) metan ve etan hidrat üretimi gerçekleştirilmiştir. Hidrat elde etmek için öncelikle hidrat oluşumunun başlangıç ​​koşullarını hesaplamak gerekir. Sentez koşulları, gerçek bir gaz için Redlich-Kwong durum denklemi kullanılarak Sloan yöntemi kullanılarak hesaplandı. Tablo 2, hidratların sentezi için başlangıç ​​koşullarını göstermektedir.

Tablo 1 – Hidrat sentezi koşulları

Hidrat sentezi işleminin aşamalarının sırası Şekil 1'de gösterilmektedir.

Şekil 1 – Odaların gazla doldurulması (mavi kare), inkübatör-buzdolabında sentez ve ayrışma (yeşil kare) süreci: 1. Hidrat oluşturan gaz içeren silindir; 2. sentez odası: a – standart basınç göstergesi, b – flanş kapağı; 3. musluk; 4. deplasman gemisi; 5. gaz büreti; 6. hidratlı oda; 7. termostat

Gerekli miktarda damıtılmış su hazneye döküldü ve vakumlandı. 283 K sıcaklıkta, karşılık gelen gaz, 280 K sıcaklıkta hidrat oluşumunun başlama basıncına eşit olan yükleme basıncına kadar odaya su ile sağlandı (Tablo 1). Daha sonra, odaların gazla ilave doldurulması gerçekleştirilmedi. Su ve hidrat oluşturucu gazla doldurulduktan sonra bölme, bir inkübatör buzdolabına yerleştirildi. Hidrat oluşum süreci, hesaplanan denge eğrisine göre sıcaklık kontrol modunda gerçekleştirildi (Şekil 2). Böylece deneyin sıcaklık koşulları, hidrat büyümesi durana kadar sürekli olarak tekrarlanan iki aşamaya bölündü: 1˚C'ye kadar hızlı soğutma (5-10 dakika içinde) ve uzun süreli izotermal hidrat oluşumu.

Şekil 2 – Hidrat oluşumu ve soğutma sıcaklığı rejiminin denge eğrileri, burada – sıcaklık kontrolü: basınç değişimi (düşüş):

Kural olarak, kapalı odalarda hidrat oluşumu ağırlıklı olarak meydana gelir: kılcal kuvvetlerin etkisi altında suyun, büyüyen hidratın kristalizasyon merkezlerine yükselmesi nedeniyle odanın duvarları boyunca ve odanın serbest yüzeyinde difüzyon yoluyla. su (bizim durumumuzda sıvı faz zorunlu konveksiyona tabi olmadığından). Gaz ve su fazları arasındaki etkileşimin spesifik yüzey alanını arttırmak için, odaların içine aşağıdaki bileşime sahip toplam 200 cm2 alana sahip çelik plakalardan yapılmış yapılar yerleştirilmiştir: C<0.005, Si>1,65, Mn – 0,09, Cr – 0,02, Ni – 0,08, Mo – 0,014, Cu – 0,06, Fe – geri kalanı.

Sentetik hidrat bileşiminin hesaplanması.

Metan/etan hidratların yapay üretim sürecinin etkinliğini değerlendirmek için, elde edilen "hidrat-buz" karışımındaki sentezlenen hidratın kütle içeriği hesaplandı. Ortaya çıkan gaz hidratın ayrışma sürecine ilişkin çalışmaların sonuçlarına dayanarak hesaplamalar yapıldı. Deney prosedürü şu şekildeydi: Sentezlenen karışımın bulunduğu bölmedeki basınç atmosferik basınca düşürüldü, ardından bölme bir termostata yerleştirildi (Şekil 1). Hidrattan salınan gazın hacmi 294 K sıcaklıkta ölçüldü. İşlem, gaz oluşumunun durmasıyla değerlendirilen karışımın tamamen ayrışmasına kadar gerçekleştirildi. Böylece, buz-hidrat karışımındaki hidrat içeriğinin belirlenmesi ve suyun hidrata dönüşüm derecesi, açığa çıkan gazın hacmine göre gerçekleştirildi.

Metan ve etanın KS-I yapısının (kübik yapı) basit hidratlarını oluşturduğu ve molekülü oldukça küçük olan metanın hem küçük hem de büyük boşlukları doldurması durumunda etan molekülünün yalnızca büyük boşlukları doldurduğu bilinmektedir. hidrat yapısı. Langmuir izoterm denklemine göre hesaplanan küçük ve büyük boşlukların dolma derecesi bilinerek, oluşan hidratın bileşimi ve yoğunluğu bulunabilir.

"Su - hidrat oluşturucu" sistemdeki faz geçişi, Langmuir izotermi ile tanımlanan, gaz moleküllerinin su yüzeyinde adsorpsiyonu yoluyla hidrat oluşumunun denge sıcaklığı ve basıncında meydana gelir:

(1)

Hidrat oluşturan gaz yalnızca tek bir bileşenden (metan (etan) oluştuğundan, kısmi basıncı sistemdeki toplam basınca eşittir:

P CH4 =5,0 *10 6 Pa ve P C2H6 =1,035*10 6 Pa.

Denklem (1)'de Langmuir sabitleri W. Parish ve J. Praustnitz tarafından önerilen ampirik denklemden bulunur.

(2)

Nerede A Ve İÇİNDE– değerleri Tablo 2'de verilen sabitler.

Gaz hidratın bileşimi, hidratın küçük ve büyük boşluklarının gazla dolma derecesinden hesaplandı; bu, sayı ile karakterize edilir. N– hidrat oluşturan gazın bir molekülü başına su molekülü sayısı:

KS-I yapısındaki hidratlar için (3)

Tablo 2 – Metan hidrat, etan yapısı KS-1 için ampirik denklemdeki (3) sabitler

Ayrıca birim hücrenin boyutlarını bilerek hidratın yoğunluğunu (g/ml) hesaplayabilirsiniz:

KS-I yapısındaki hidratlar için: (4),

suyun moleküler ağırlığı, g/mol;

M- hidrat oluşturan gazın moleküler ağırlığı, g/mol;

θ1 Ve θ2– küçük ve büyük boşlukların doldurulma derecesi;

bir ben– yapı I, nm'deki hidratın kübik kristal kafesinin parametresi;

Yok– Avogadro sayısı.

Bir karışımdaki hidratın kütle içeriğini hesaplama metodolojisinde, hidrat oluşumu sürecinde küçük ve büyük boşlukların tamamen gaz molekülleri ile doldurulduğu ve dolayısıyla büyüyen hidratın sabit bir bileşim ile karakterize edildiği varsayımını sunuyoruz. ve hidrat bileşimleri idealdir - 8CH4 * 46H2O ve 6C2H6 *46H2O. Hidratın kütle içeriği, bilinen (ölçülmüş) bir hidrat oluşturucu gaz hacminin kapladığı temel hücrelerin sayısından hesaplandı:

burada: G – karışımdaki hidratın kütle oranı, ρ – hidrat yoğunluğu, V– hidrat oluşturan gazın hacmi, A– hidrat kristal kafesin parametresi (KS-I hidrat için 12 Å'dur), N– hidratın birim hücresindeki hidrat oluşturan gaz moleküllerinin sayısı (metan hidrat için 8, etan hidrat için 6), Msu- Sentez için alınan damıtılmış suyun kütlesi, M– hidrat oluşturan gazın molar kütlesi, VA- Salınan gazın hacminin ölçüldüğü sıcaklıktaki gazın molar hacmi, NA– Avogadro sayısı.

Sonuçlar ve tartışma.

Şekil 3, metal bir yapının (MC) bulunduğu ve bulunmadığı metan hidrat sentez odalarındaki basınç düşüşünün dinamiklerini göstermektedir.

Kapalı bir sistemdeki hidrat oluşum süreçlerinin bir özelliğinin, çığ hidrat oluşum sürecinin başlangıcına kadar yarı kararlı bir durumda kalan, kristalin hidrat çekirdeklerinden oluşan bir fazın oluştuğu uzun bir indüksiyon periyodu olduğu tespit edilmiştir. Böylece, odanın su ve metan ile soğutulmasının ilk periyodu sırasında, değeri birkaç gün olan basınçta kademeli bir azalma meydana gelir - bu, hidrat oluşturucunun çözündüğü ve birincil hidrat yapılarının çözündüğü indüksiyon periyodu olarak adlandırılır. suda ortaya çıkar.

Şekil 3 - Metal yapı olmadan ve metal yapı varlığında sudan metan hidrat oluşumunun dinamiği (MC)

Daha sonra 276 K sıcaklıkta, su yüzeyinde oluşan hidrat kabuğunun içerideki hidratın büyümesini engellemesi nedeniyle birkaç saat sonra duran hidrat oluşum süreci nedeniyle sistemde hafif bir basınç düşüşü meydana gelir. su hacmi.

Aksi takdirde metal yapıya sahip bir haznede hidrat oluşumu meydana gelir: 276 K'de basınçta keskin bir düşüş meydana gelir, bu gün boyu devam eder ve sıvı su buza dönüştüğünde durur. Böylece, hidrat büyümesinin meydana geldiği yüzey alanındaki bir artış, su-metan sisteminde daha yoğun hidrat oluşumunu teşvik eder.

Kantitatif olarak, metan hidrat oluşumunun indüksiyon periyodu, Gibbs enerjisindeki (-Δ) bir değişiklik formundaki metastabilitenin bir ölçüsü olarak temsil edilebilir. G) denkleme göre bir mol hidratın oluşması üzerine yarı kararlı bir durumdan denge durumuna izotermal geçişi sırasında bir sistemin:

Nerede P- T sıcaklığında sistemdeki basınç, P 0 – aynı sıcaklıkta hidrat oluşumunun denge basıncı. Şekil 4 metandan hidrat oluşumunun indüklendiği andan itibaren ters Gibbs enerjisinin hesaplanmasının sonucunu göstermektedir.

Şekil 4 - İndüksiyon döneminde "su-metan" sisteminin Gibbs enerjisindeki değişimlerin dinamiği

İndüksiyon sırasında sistemin yavaş yavaş serbest enerji biriktirdiği ve bunun daha sonra hidrat kristallerinin büyümesine harcandığı görülebilir. Özellikle ilginç olan, bu özelliğin neredeyse ideal olarak doğrudan bir bağımlılığa sahip olmasıdır; bu, kapalı koşullar altında metan hidrat kristal çekirdeklerinin tekdüze bir oluşum hızına işaret eder.

Metan hidrat elde etmek için kullanılan teknolojik tekniklerin aynısı kullanılarak, etan hidratlar da kapalı yüksek basınç odalarında yapay olarak elde edildi.

Şekil 5 - Metal yapı olmadan ve metal yapı varlığında sudan etan hidrat oluşumunun dinamiği

Etan durumunda, hidrat oluşumu süreci pozitif sıcaklıklarda gerçekleşir, ancak pratikte bir indüksiyon süresi yoktur (Şekil 5). Etan, ek bir metal yüzeyin yokluğunda bile yoğun bir şekilde hidrata dönüşür, ancak metal bir yapının varlığında hidrat oluşum süreci çok daha hızlı ilerlemektedir. Böylece izokorik koşullar altında etan hidratın oluşum süreci yaklaşık 120 saat, yani metan hidratın oluşumundan 2 kat daha hızlı ilerler.

Tablo 3, sentetik metan ve etan hidratların yapı parametrelerinin belirlenmesinin sonuçlarını göstermektedir.

Tablo 3 – Sentetik metan ve etan hidratların yapısal parametrelerinin değerleri

Sentezlenen metan hidratın bileşiminin 7.67CH4 *46H2O olarak tanımlandığı ve etan hidratın bileşiminin neredeyse ideal olduğu - 5.95C2H6 *46H2O olduğu tespit edilmiştir. Büyük boşlukların doldurulma derecesi metan ile küçük olanlardan daha büyüktür, bu da hidrat çerçevesinin daha fazla stabilitesini sağlar. Etan hidratın büyümesi sırasında yalnızca büyük boşluklar ve neredeyse tamamen doldurulur. Böylece izokorik koşullar altında elde edilen sentetik metan hidratların temel kafeslerinin 7-8 gaz molekülü ve etan - 5-6 içerdiği tespit edilmiştir. Kapalı yüksek basınç odalarında elde edilen her iki sentetik hidratın yoğunluğunun birden az olduğu; etan hidratın yoğunluğunun metan hidratın yoğunluğundan biraz daha yüksek olduğu tespit edilmiştir (Tablo 3).

Basit hidratların metal yapı kullanılmadan sentezi sonucunda, düşük kütle hidrat içeriğine sahip buz-hidrat karışımlarının oluştuğu tespit edilmiştir: metan hidrat için ağırlıkça %10'a kadar ve ağırlıkça yaklaşık 20. Etan hidrat için %. Ek bir büyüme yüzeyinin kullanılmasının, karışımların hidrat içeriğini arttırdığı gösterilmiştir: metan hidrat için ağırlıkça %60'a kadar ve etan hidrat için ağırlıkça %80'e kadar.

Bu nedenle, kapalı odalarda sentez sırasında hidrat doygunluğu, ağırlıklı olarak kristalli bileşiklerin büyümesinin meydana geldiği serbest yüzey alanıyla orantılıdır.

Çözüm.

Böylece araştırma sonucunda izokorik koşullar altında kapalı reaktör odalarında yüksek hidrat içeriğine sahip sentetik metan ve etan hidratlar elde edildi. Kapalı bir yüksek basınçlı reaktör odası içinde (MC) formundaki ilave bir büyüme yüzeyinin, buz-hidrat karışımlarındaki basit metan ve etan hidratların içeriğinin sırasıyla 6-4 kat arttırılmasını mümkün kıldığı tespit edilmiştir.

Sentetik olarak üretilen metan hidratların bileşiminin 7.67CH4 *46H2O olarak tanımlandığı ve etan hidratın bileşiminin neredeyse ideal - 5.95C2H6 *46H20 olduğu gösterilmiştir.

Edebiyat

1. Makogon Yu.F. Doğal gaz hidratları. – M.: Nedra, 1974.-208 s.
2. Dendy Sloan, E. Doğal gazların klatrat hidratları. Üçüncü Basım. – New York: Marcel Dekker, 1998, -730 s.
3. Nesterov A.N. Yüzey aktif maddelerin varlığında gaz hidrat oluşumunun kinetiği ve mekanizması: dis. ... Dr. Chem. Bilimler: – Tyumen, 2006. – 280 s.
4. Istomin V.A., Yakushev V.S. Gaz doğal koşullarda hidratlanır. -M.: Nedra, 1992.-236 s.
5. Parrish W.R., Prausnitz J.M. Gaz karışımlarının oluşturduğu gaz hidratların ayrışma basınçları // Ind. Müh. Kimya Temeller. 1972.-V. 11.-№1.-P. 26-35.
6. Byk S.Ş., Makogon Yu.F., Fomina V.I. Gaz hidratları. – M.: Kimya, 1980.-296 s.

Referanslar

1. Makogon Yu.F. Doğal gazların hidratları. – M.: Toprakaltı, 1974.-208 sayfa.
2. Dendy Sloan, E. Doğal gazların klatrat hidratları. Üçüncü Basım. – New York: Marcel Dekker, 1998, -730 s.
3. Nesterov A.N. Yüzey aktif maddelerin varlığında gazların kinetiği ve hidrat oluşum mekanizması: porsuk. ... Kimya bilimleri Dr.'leri: – Tyumen, 2006. – 280 sayfa.
4. Istomin V.A., Yakushev V.S. Doğada gaz hidratları. – M.: Toprakaltı, 1992.-236 sayfa.
5. Parrish W.R., Prausnitz J.M. Gaz karışımlarının oluşturduğu gaz hidratların ayrışma basınçları//Ind. Müh. Kimya Temeller. 1972. – V. 11.-№1. – S.26-35.
6. Byk S.Sh., Makogon Yu.F., Fomina V.I. Gaz hidratlar. – M.: Kimya, 1980.-296 sayfa.

/. Rus matematikçiler, gezegendeki en zengin doğal gaz kaynağı olan gaz hidratlarının (Kuzey Kutbu bölgesinde konsantrasyonu yüksek olan) yataklarının geliştirilmesi için bir model oluşturdular ve Skoltech bilim adamları, hidratlardan metanın çıkarılması için bir teknoloji önerdiler. Uzmanlar TASS'a bu tür metan üretiminin sera etkisini azaltmaya nasıl yardımcı olacağını, yeni araştırmaların avantajlarının neler olduğunu ve Rusya'da gaz hidratların endüstriyel gelişimi için umut olup olmadığını anlattı.

Sera etkisine karşı

Gaz hidratlar buz ve gazın katı kristalli bileşikleridir ve bunlara "yanıcı buz" da denir. Doğada, okyanus tabanının kalınlığında ve permafrost kayalarında bulunurlar, bu nedenle onları çıkarmak çok zordur - birkaç yüz metre derinliğe kadar kuyular açılmalı ve daha sonra doğal gaz buz birikintilerinden ayrılarak taşınabilir. yüzeye. Çinli petrol işçileri bunu 2017 yılında Güney Çin Denizi'nde yapmayı başardılar ancak bunu yapabilmek için üretim alanındaki derinliğin 1,2 km'yi aşmasına rağmen deniz tabanının 200 metreden fazla derinlerine inmeleri gerekiyordu.

Araştırmacılar, gaz hidratları, özellikle Japonya ve Güney Kore gibi diğer enerji kaynakları sınırlı olan ülkeler tarafından talep edilebilecek umut verici bir enerji kaynağı olarak görüyor. Yanmasıyla enerji sağlayan metanın dünya çapındaki gaz hidratlardaki içeriğine ilişkin tahminler, Rusya Federasyonu Enerji Bakanlığı'na göre 2,8 katrilyon ton ile Dünya Enerji Ajansı'na (IEA) göre 5 katrilyon ton arasında değişmektedir. Minimal tahminler bile büyük rezervleri yansıtıyor: karşılaştırma yapmak gerekirse, BP Corporation (British Petroleum) 2015 yılında küresel petrol rezervlerinin 240 milyar ton olduğunu tahmin ediyor.

“Başta Gazprom VNIIGAZ olmak üzere bazı kuruluşların tahminlerine göre, Rusya Federasyonu topraklarındaki gaz hidratlardaki metan kaynakları 100 ila 1000 trilyon metreküp arasında değişirken, denizler de dahil olmak üzere Arktik bölgede 600-700 trilyon metreküpe kadar çıkıyor. , ancak bu çok yaklaşık bir değer" - Skolkovo Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (Skoltech) Hidrokarbon Üretim Merkezi'nin önde gelen araştırmacısı Evgeniy Chuvilin, TASS'a söyledi.

Gerçek enerji kaynağına ek olarak, gaz hidratlar sera gazlarından bir kurtuluş haline gelebilir ve bu da küresel ısınmanın durdurulmasına yardımcı olacaktır. Metanın boşalttığı boşluklar karbondioksitle doldurulabilir.

"Araştırmacılara göre metan hidratlar, bilinen toplam dünya hidrokarbon rezervlerindeki karbonun %50'sinden fazlasını içeriyor. Bu, yalnızca gezegenimizdeki en zengin hidrokarbon gazı kaynağı değil, aynı zamanda olası bir karbondioksit deposudur. sera gazı Bir taşla iki kuşu öldürebilirsiniz; metanı çıkarabilir, enerji üretmek için yakabilir ve yanma sırasında elde edilen, hidrattaki metanın yerini alacak karbondioksiti yerine pompalayabilirsiniz," dedi bilimsel direktör yardımcısı Nail Musakaev. Rusya Bilimler Akademisi Sibirya Şubesi Teorik ve Uygulamalı Mekanik Enstitüsü'nün Tyumen şubesinin çalışmaları TASS'a söyledi.

Permafrost koşullarında

Bugün araştırmacılar, gaz hidratların çıkarılması için üç ana umut verici yöntem tanımlamaktadır.

“Hidratlardan gaz çıkarmadan önce, bunları gaz ve su veya gaz ve buz gibi bileşenlere ayırmak gerekir. Gaz üretiminin ana yöntemleri ayırt edilebilir - kuyunun dibindeki basıncı azaltmak, oluşumu sıcak su ile ısıtmak veya. gaz hidratların ayrışması için oluşuma inhibitörler (maddeler) sağlayan buhar - TASS notu)," diye açıkladı Musakaev.

Tyumen ve Sterlitamak'tan bilim adamları, permafrostta metan üretimi için matematiksel bir model oluşturdular. Saha geliştirme sırasında buz oluşumu sürecini dikkate alması dikkat çekicidir.

Musakaev, "Buz oluşumunun artıları ve eksileri var: ekipmanı tıkayabilir, ancak diğer yandan gaz hidratın gaz ve buza ayrışması, gaz ve suya ayrışmasından üç kat daha az enerji gerektirir" dedi.

Matematiksel modellemenin avantajı, bu tür yataklardan gaz üretimine yönelik yöntemlerin ekonomik verimliliğinin değerlendirilmesi de dahil olmak üzere, gaz hidrat yatakları için gelişim senaryosunu tahmin etme yeteneğidir. Bilim adamı, sonuçların gaz hidrat alanlarının planlanması ve araştırılmasında yer alan tasarım organizasyonlarının ilgisini çekebileceğini belirtti.

Skoltech aynı zamanda hidratlardan metanın çıkarılmasına yönelik teknolojiler de geliştiriyor. Edinburgh'daki Heriot-Watt Üniversitesi'nden meslektaşlarıyla birlikte Skoltech uzmanları, kaya katmanına hava pompalayarak gaz hidratlardan metanın çıkarılmasını önerdi. Chuvilin, "Bu yöntem mevcut yöntemlere göre daha ekonomik ve çevreye daha az etki yapıyor" diye açıkladı.

Bu yöntem, formasyona karbondioksit veya nitrojen enjekte edildiğini ve basınç farkından dolayı gaz hidratların bileşenlere ayrıştığını varsayar. "Şu anda yöntemi ve etkinliğini test etmek için metodolojik araştırmalar yürütüyoruz. Biz bu teknolojinin fiziksel ve kimyasal temellerini oluştururken, teknolojinin yaratılması henüz çok uzakta” ​​diye vurguladı.

Chuvilin'e göre Rusya, metanın hidratlardan etkili bir şekilde çıkarılması için henüz tamamen hazır teknolojilere sahip değil, çünkü bu bilimsel alanı destekleyecek hedefli programlar yok. Ancak geliştirme halen devam etmektedir. Musakaev, "Gaz hidratlar geleceğin ana enerji kaynağı olmayabilir, ancak bunların kullanımı kesinlikle yeni bilgilerin geliştirilmesini gerektirecektir" diye ekledi.

Ekonomik fizibilite

Rus yakıt ve enerji kompleksinin 2035'e kadar olan döneme ilişkin gelişimine ilişkin tahmin, gaz üretimine yönelik uzun vadeli beklentiler arasında gaz hidrat sahalarının araştırılması ve geliştirilmesini dikkate alıyor. Belgede, gaz hidratların "yalnızca 30-40 yıl içinde küresel enerjide bir faktör" haline gelebileceği belirtiliyor, ancak çığır açıcı bir senaryo da göz ardı edilmiyor. Her halükarda, hidratların gelişimi, yakıt kaynaklarının dünya pazarında küresel bir yeniden dağıtımını gerektirecek - gaz fiyatları düşecek ve madencilik şirketleri gelirlerini ancak yeni pazarlar ele geçirerek ve satış hacimlerini artırarak koruyabilecekler. Strateji, bu tür yatakların büyük ölçüde geliştirilmesi için yeni teknolojiler yaratılması, mevcut teknolojilerin iyileştirilmesi ve maliyetlerinin düşürülmesi gerektiğini belirtiyor.

Hidratlara erişilememesi ve çıkarılmalarının karmaşıklığı göz önüne alındığında, uzmanlar onları umut verici bir enerji kaynağı olarak adlandırıyor, ancak bunun önümüzdeki yıllarda bir trend olmadığını da belirtiyorlar; hidratlar, halen geliştirilmekte olan yeni teknolojiler gerektiriyor. Ve yerleşik doğal gaz üretimi koşullarında, hidratlardan gelen metan en iyi durumda değildir. Gelecekte her şey enerji piyasası koşullarına bağlı olacak.

"Endüstriyel üretimin zamanlaması, hem gazın aranması, yerelleştirilmesi ve üretilmesi için ekonomik olarak mevcut teknolojiye hem de piyasa faktörlerine bağlıdır. Gaz üreten şirketler yeterli geleneksel gaz rezervine sahiptir, bu nedenle gaz hidratlardan gaz üretim teknolojilerini temel olarak kabul ediyorlar. Uzun vadede Rusya Federasyonu'nda endüstriyel üretimin en geç 10 yıl içinde başlayacağını düşünüyorum" dedi.

Chuvilin'e göre Rusya'da önümüzdeki 10 yıl içinde gaz hidratlardan metanın üretilmeye başlanabilecek alanlar var ve bu oldukça umut verici olacak. “Batı Sibirya'nın kuzeyindeki bazı gaz sahalarında, geleneksel gaz rezervleri tükendiğinde, gazın hidrat formunda bulunabileceği üstte ufuklar geliştirmek mümkün. Önümüzdeki on yılda bu mümkün, her şey enerji kaynaklarının maliyetine bağlı olacak” diye özetledi ajansın muhatabı.

Doğal gaz (metan), çevreciler tarafından en umut verici motor yakıtlarından biri olarak kabul edilmektedir. Petrol yakıtına göre avantajları, yüksek oktan sayısı (120), daha fakir hava-yakıt karışımlarında stabil yanma sağlaması ve daha yüksek hidrojen-karbon oranıdır (4:1). Bu nedenle metanın yanması yaklaşık %10 daha az karbondioksit (CO2) üretir. Ancak metanın iklimi etkileyen bir “sera” gazı olduğu düşünülüyor. Yanması sırasında atmosferde ozon oluşumu reaksiyonlarına katılan neredeyse hiç hidrokarbon salınmaz. Ancak petrol gibi doğal gaz rezervleri de sınırsız değildir.

Alternatif enerji kaynaklarının gelişmesine rağmen fosil yakıtlar hâlâ varlığını sürdürüyor ve öngörülebilir gelecekte gezegenin yakıt dengesinde önemli bir rol oynamaya devam edecek. Uzman tahminlerine göre önümüzdeki 30 yılda Dünya'daki enerji tüketimi yarı yarıya artacak. Bilinen hidrokarbon yataklarının verimliliği azalıyor, yeni büyük yataklar giderek daha az keşfediliyor ve kömür kullanımı çevreye zarar veriyor. Bu nedenle, geleneksel hidrokarbonların azalan rezervlerinin bir şekilde telafi edilmesi gerekiyor.

Metan hidratın özellikleri

Gelecek vaat eden yeni hidrokarbon hammadde türleri arasında bilim adamları, gezegendeki rezervleri kaba tahminlere göre en az 250 trilyon metreküp olan metan hidratı öne çıkarıyor (enerji değeri açısından bu, mevcut olandan 2 kat daha fazla). gezegendeki tüm petrol, kömür ve gaz rezervlerinin toplam değeri).

Metan hidrat, düşük sıcaklık ve yüksek basınçta oluşan, metanın suyla supramoleküler bir bileşiğidir. Metan molekülünün etrafında su (buz) moleküllerinden oluşan bir kafes oluşur. Genellikle bir permafrost tabakasının altında veya okyanus tabanının derinliklerinde bulunur. Dışarıdan metan hidrat buz veya gevşek kar gibi görünüyor. Bileşik düşük sıcaklıklarda ve yüksek basınçta stabildir. Örneğin metan hidrat, 0°C sıcaklıkta ve yaklaşık 25 bar ve üzeri basınçta stabildir.

Bu basınç yaklaşık 250 m okyanus derinliğinde meydana gelir. Metan hidrat, atmosferik basınçta -80°C sıcaklıkta stabil kalır. Metan hidrat ısıtılırsa veya basınç artarsa ​​bileşik su ve doğal gaza (metan) ayrışır. Bu sırada ateş açarsanız metan hidrat yanacaktır. Bu nedenle bazen "yanan buz" olarak da anılır. Normal atmosfer basıncında bir metreküp metan hidrattan 164 metreküp doğal gaz üretilebiliyor. En büyük metan hidrat rezervleri permafrost bölgelerinde ve okyanus altı kutup bölgelerinde bulunur.

Metan hidrat üretimi

Bu değerli hammaddenin tam ölçekli üretimi teknolojik zorluklar nedeniyle sekteye uğramaktadır. Gaz hidratların önemli miktarda gazı nispeten düşük basınçlarda yoğunlaştırma özelliği uzun süredir uzmanların dikkatini çekmektedir. Doğal gazın hidratlı halde üretimi, depolanması ve taşınması üzerine araştırmalar yirminci yüzyılın 40'lı yıllarında ortaya çıktı. Ön ekonomik hesaplamalar, en etkili yöntemin gazın hidratlı halde deniz yoluyla taşınması olduğunu ve hidratın ayrışmasından sonra (gaz hidratlar oluştuğunda) kalan taşınan gazın ve temiz suyun tüketicilere aynı anda satılmasıyla ek ekonomik faydalar elde edilebileceğini göstermiştir. , su yabancı maddelerden arındırılır).

Metan hidratın bilimsel çalışması son on yılda ivme kazandı. ABD'de yapılan son araştırmalar, metan hidratın iç kaynaklarının anlaşılmasında büyük ilerlemelere yol açtı. Bu arada Japonya, Hindistan ve diğer ülkelerdeki uluslararası çabalar küresel hidrat kaynağının belirlenmesine yardımcı oldu.

Endüstriyel kullanım için beklentiler

Japon yetkililer beş yıl içinde metan hidrattan endüstriyel gaz üretimi kurmayı umuyorlar. Daha önce, gaz hidratlar yalnızca karada çıkarılıyordu, ancak çıkarma teknolojisi kârsızdı. Bu tür gazı okyanusun dibinden çıkarmak için daha önce hiçbir yerde kullanılmamış yeni teknolojilere ihtiyaç vardı. Japonlar tarafından geliştirildi. Şu ana kadar sadece iki endüstriyel pilot tesis inşa edildi.

Okyanus tabanındaki metan hidrat

Metan hidrat- Sadece son yıllarda bilinen, Dünya'nın en gizemli minerali. Bu mineral yalnızca belirli koşullar altında var olabilir. Örneğin, dünyevi atmosfer basıncında ve sıcaklıkta eksi 80 dereceden yüksek değil. Hava sıcaklığı 0 santigrat derece ise bu mineralin varlığı için 25 barlık yüksek bir basınç oluşturmak gerekir. Sıvı veya gaz halinde olamaz, eritilemez. Metan hidrat yalnızca katı olabilir.

Bu gizemli mineral nedir?
Metan hidrat, içinde metan ve diğer metan bileşiklerinin (CH4, C2H6, C3H8, izobütan vb.) moleküllerinin bulunduğu kümeler şeklinde özel bir yapıya sahip buzdur. Su ve metan zayıf moleküler bağlarla birbirine bağlı ve sıcaklık arttıkça metan gazı kümeleri terk edip buharlaşıyor. Isınma hızlı bir şekilde gerçekleşirse, metan salınımı da hızlı bir şekilde, bazen patlayıcı bir şekilde gerçekleşir.

Metan hidrat modeli

Denizlerin erimiş permafrost ve tortul katmanlarından patlayıcı metan salınımı vakaları bilinmektedir. Bu, suyun metan kabarcıklarıyla doymasına ve yoğunluğunun azalmasına yol açar. Sonuç olarak gemi veya denizaltı batabilir. Ünlü Bermuda Şeytan Üçgeni'ndeki gemilerin ani batmasının nedeninin tam da bu fenomen olduğu varsayımı var.

Güçlü depremler ve litosferik plakaların hareketleri sırasında kayaların ısınması ve patlayıcı metan salınımı da meydana gelebilir. Metan hidratı alttan kaldırırsanız veya permafrost'tan çıkarırsanız, hemen gaz çıkmaya başlayacaktır. Bu gaz ateşe verilebilir ve muhteşem bir resim göreceksiniz - yanan buz!

Metan hidratlar nerede bulunur? ve bu şaşırtıcı bağlantı neden yalnızca yirminci yüzyılın ikinci yarısında biliniyordu?
Bu mineral okyanusların dibinde, rafta ve okyanus tabanının kaya katmanlarında bulunur. Ancak yalnızca Dünya'nın bağırsaklarından gelen ısının tortul kayaları henüz ısıtmadığı belirli bir derinlikte. Yine permafrost altında belli bir derinliğe kadar. Baykal Gölü'nün dibinde. Bu mineralin doğal rezervleri çok büyüktür.

Metan hidrat, ekstraksiyonu büyük miktarlarda doğal gaz üretebildiğinden bir enerji kaynağıdır. Uzmanlara göre bu, 1 metreküpten 160 – 180 santimetreküp metan anlamına geliyor. cm'lik buz. Dolayısıyla bu mineralin birikimlerinin endüstriyel gelişimi çok fazla mavi yakıt getirebilir. Metan hidratın gaz rezervi kaynağı olarak kullanılması ihtimali, 20. yüzyılın sonları ve 21. yüzyılın başlarında metan hidratın kapsamlı bir şekilde araştırılmasına yol açtı.

Ancak bu mineral aynı zamanda Dünya'daki yaşam için de büyük bir tehlike kaynağıdır. Deniz suyunun sıcaklığının bir anda arttığını, denizlerin ve okyanusların dibinde çok sayıda volkanın patlamaya başladığını hayal edin. Metan anında suya ve atmosfere salınacak. Metan da tıpkı CO2 gibi bir sera gazıdır. Metanın yarattığı sera etkisi karbondioksitinkinden kat kat fazladır. Atmosfer ve okyanuslar ısınacak. Bu durum Dünya'da küresel iklim değişikliğine, denizlerde ve karada birçok hayvan ve bitki türünün ölümüne yol açacaktır. Belki bir kişinin ölümüne bile.

Jeologlar, yaklaşık 252 milyon yıl önce (Permiyen jeolojik döneminin sonu) benzer bir şeyin, büyük bir asteroitin kuzey-orta Sibirya'ya düşüp yer kabuğunu deldiğinde meydana geldiğine inanıyorlar. Bu, bazaltik lavların geniş bir alana yayılmasına, gezegenin her yerinde volkanik patlamalara ve depremlere yol açtı. Sonuç olarak atmosfere sadece volkanik kül değil metan da giriyor. Sonuç olarak, karada yaşayan türlerin yüzde 70'i, deniz ve okyanus türlerinin ise yüzde 96'sı öldü. Dünya değişti... Bu kozmik ve jeolojik olay “Permiyen felaketi” olarak biliniyor. Asteroitin düşmesinden sonra patlak veren jeolojik haritalarda görülebilen tuzaklara “Sibirya tuzakları” adı veriliyor.

Geç Paleosen'de artan volkanik aktivite ve atmosfere büyük miktarda metan salınımı da meydana geldi; bu da flora ve faunada değişikliklere ve binlerce canlı organizma türünün ölümüne yol açtı.

Sadece Dünya'da mevcut değil. Metan hidratlar büyük olasılıkla güneş sistemindeki buzla kaplı ve metan atmosferine sahip gezegenlerde bulunur. Bunlar Neptün ve Uranüs'tür. Belki de kuyruklu yıldızların buzları metan hidrat içermektedir.

] permafrost bölgesinde gaz hidrat birikintilerinin varlığına ilişkin bir hipotez ifade etti. 60'lı yıllarda SSCB'nin kuzeyinde ilk gaz hidrat yatakları keşfedildi. Bu noktadan itibaren gaz hidratlar potansiyel bir yakıt kaynağı olarak görülmeye başlanır. Yavaş yavaş okyanuslardaki yaygın dağılımları ve artan sıcaklıklarla birlikte istikrarsızlıkları ortaya çıktı.

Hidratların özellikleri

Gaz hidratlar görünüş olarak sıkıştırılmış kara benzer, yanabilir ve sıcaklık yükseldiğinde kolayca su ve gaza dönüşebilir. Klatrat yapısından dolayı hacmi 1 cm³ olan bir gaz hidrat 160-180 cm³ kadar saf gaz içerebilmektedir.

Doğada metan hidrat

Denizlerde ve kıtalarda metan hidratın faz diyagramı ve stabilite alanı. Denizde metan hidratın stabilite aralığı, dip suyunun sıcaklığı ve jeotermal gradyan tarafından belirlenir. Kuzey denizlerinde dipteki su sıcaklığı +4 °C'dir. Aşağıda tortul kayaçlarda jeotermal eğime göre artar; belli bir sıcaklıkta metan hidrat kararsız hale gelir ve su ve metana ayrışır. Kıtalarda da benzer bir tablo gözleniyor, ancak üzerlerindeki hidrat ayrışmasının derinliği permafrost gelişiminin derinliğine bağlı. Metan hidratın faz diyagramından da anlaşılacağı gibi, oluşumu düşük sıcaklıklar ve nispeten yüksek basınç gerektirir ve basınç ne kadar yüksek olursa, metan hidratın stabil olduğu sıcaklık da o kadar yüksek olur. Böylece 0 °C'de 25 bar ve üzeri basınçlarda stabildir. Bu basınç, örneğin okyanusta yaklaşık 250 m derinlikte elde edilir. Atmosfer basıncında metan hidratın stabilitesi yaklaşık -80 °C'lik bir sıcaklık gerektirir. Bununla birlikte, metan hidratlar düşük basınç koşulları altında ve daha yüksek bir sıcaklıkta hala oldukça uzun bir süre var olabilir, ancak her zaman negatiftir - bu durumda yarı kararlı bir durumdadırlar, varlıkları ayrışma sırasında kendini koruma etkisi sağlar, metan hidratlar daha fazla ayrışmayı önleyen bir buz kabuğuyla kaplıdır.

Denizdeki çökeltilerin kalınlığı arttıkça ve permafrostun kalınlığı battıkça veya azaldıkça, metan hidrat parçalanacak ve sığ bir derinlikte, gazın yüzeye çıkabileceği bir gaz rezervuarı oluşacaktır. Bu tür patlamalara aslında tundrada, bazen de denizlerde rastlanıyor.

Metan hidratın yıkıcı parçalanmasının, Paleosen-Eosen sınırında birçok hayvan türünün yok olmasına, iklim değişikliğine ve çökelmeye yol açan jeolojik bir olay olan Geç Paleosen Termal Maksimumunun nedeni olduğu düşünülmektedir.

Bermuda Şeytan Üçgeni ve diğer bazı yerlerdeki gemilerin ortadan kaybolmasını açıklamak için denizdeki gaz hidrat birikintilerinden metanın açığa çıkması sürecine başvuruluyor. Gerçek şu ki, metan yüzeye çıktığında su gaz kabarcıklarıyla doyurulur ve karışımın yoğunluğu keskin bir şekilde düşer. Bunun sonucunda gemi kaldırma kuvvetini kaybeder ve batar.

Gaz üretimi sırasında kuyularda, saha iletişimlerinde ve ana gaz boru hatlarında hidratlar oluşabilir. Hidratlar boruların duvarlarında birikerek verimlerini keskin bir şekilde azaltır. Gaz alanlarında hidrat oluşumuyla mücadele etmek için kuyulara ve boru hatlarına (metil alkol, glikoller,% 30 CaCl2 çözeltisi) çeşitli inhibitörler uygulanır ve ayrıca ısıtıcılar, boru hatlarının ısı yalıtımı kullanılarak gaz akış sıcaklığı hidrat oluşum sıcaklığının üzerinde tutulur. ve gaz akışının maksimum sıcaklığını sağlayan çalışma modlarının seçimi. Ana gaz boru hatlarında hidrat oluşumunu önlemek için, gazın kurutulması en etkili yöntemdir - gazı su buharından temizler.

Ayrıca bakınız

"Metan hidrat" makalesi hakkında yorum yazın

Edebiyat

• J. Carroll. Doğal gaz hidratları. - Teknopress, 2007. - 316 s.
• (Ukrayna)

Bağlantılar

• Oleg Ivaşçenko
• Dyadin Yu.A., Gushchin A.L. Soros eğitim dergisi, 1998

Metan Hidratı karakterize eden alıntı