هیدرات گازی چیست؟ (۳ نوع اصلی آن)

یکی از مشکلات مهم در طراحی خطوط لوله گاز، تشکیل هیدرات گازی در آن است.

جلوگیری از این مشکل تا حد امکان و لحاظ کردن اثرات آن بر طراحی یکی از نکات قابل توجه برای طراحی خطوط انتقال است.

در این مقاله شما را به صورت کامل با انواع هیدرات ها، نحوه تشکیل و روش های جلوگیری از تشکیل آن ها آشنا خواهیم کرد.

پس با ما همراه باشید.

1# هیدرات گازی چیست؟

گاز خروجی از چاه های گاز همواره با مقداری رطوبت همراه است که
این رطوبت ها هنگام عبور از شیرهای کنترل و در شبکه های توزیع گاز و در فصل سرما مشکلات زیادی ایجاد می کنند که ابتدایی ترین آن ها، میعان آب در لوله ها و خطوط انتقال است که
باعث افزایش افت فشار، ساییدگی و خوردگی لوله ها خواهد شد؛ اما حالت وخیم تری نیز وجود دارد که آن هم تشکیل هیدرات گازی (Gas Hydrate) می باشد.

در مخازن زیر زمینی، گاز طبیعی و نفت خام با آب در تماس هستند، در اعماق دریا نیز فشار بسیار بالا و دما بسیار پایین می باشد.

در این شرایط آب به دلیل داشتن پیوند های هیدروژنی قوی، ساختارهایی حفره دار (در واقع یک ساختمان شبکه ای) تشکیل می دهد که
با نام شبکه هیدرات شناخته می شوند.

جدول زیر محتویات اجزای موجود در یک نمونه گاز خروجی از پالایشگاه گاز را نشان می دهد:

همانطور که مشاهده می شود، رطوبت در این اجزا جایی ندارد و در صورت وجود مقدار آن ناچیز است.

این ساختمان ها بسیار ناپایدار هستند؛ اما در حضور ترکیبات هیدروکربنی، CO2 و H2S که قطر مولکولی کمتر از اندازه شبکه ها دارند، تبدیل به یک ساختار پایدار می شوند و
یک کریستال شبیه یخ را تشکیل می دهند که به آن هیدارت گاز گفته می شود.

2# انواع هیدرات های گازی

هیدرات ها عمدتا با فرمول عمومی M_nH₂O نمایش داده می شوند که M در این رابطه بیانگر مولکول تشکیل دهنده هیدرات می باشد.

بر اساس نوع ماده تشکیبل دهنده هیدرات، سه ساختار متفاوت می توان داشت که عبارت اند از:

1. نوع اول: در این ساختار شبکه هیدارت از مولکول های کوچک تر مثل CH₄ ،C₂H₆ ،CO₂ ،H₂S پر می شود.
2. نوع دوم: در این ساختار ترکیباتی مثل C₃H₈ ،i-C₄H₁₀ ،n-C₄H₁₀ یک شبکه شبیه الماس را تشکیل می دهند.
3. نوع سوم: در این ساختار ها مولکول های پارافین جامد بزرگ تر از n-C₄H₁₀  با هم تشکیل یک شبکه بزرگ را می دهند که به آن ساختار H هم گفته می شود.

بنابراین نکته مهم در تعیین نوع ساختار هیدرات ها ترکیب گازها است.

شکل زیر طرحواره ای از 3 نوع اصلی هیدرات تشکیل شده در صنایع گاز را نشان می دهد.

هم چنین این موضوع یکی از پارامترهای تعیین کننده در پایداری هیدرات است که
در این زمینه یک قانون وجود دارد که طبق آن هرچه جرم مولکولی ماده تشکیل دهنده هیدرات بیشتر باشد، پایداری آن هم بیشتر است.

3# تاثیرات هیدرات گازی بر طراحی

هیدرات های گاز طبیعی در صورت تشکیل در فرآیندهای موجود در صنایع پالایش گاز می توانند مشکلات زیادی ایجاد کنند.

از جمله می توانند باعث گرفتگی خطوط لوله و دستگاه ها و یا انفجار در پشت شیرهای کنترل شود.

در واقع تشکیل هیدرات در خطوط انتقال حالت حادی از میعان در درون لوله ها است و لذا اثرات آن نیز بدتر خواهند بود.

4# شرایط تشکیل هیدرات

همانطور که پیشتر گفته شد وجود سه عامل به صورت همزمان در تشکیل هیدرات گازی موثر است که عبارت اند از:

• دمای بسیار پایین
• فشار بسیار بالا
• وجود رطوبت

در فرآیند های پالایش گاز دو عامل اول تقریبا همواره وجود دارند؛ زیرا برای ذخیره سازی راحت تر گاز، سعی می شود که فشار آن را بالا ببرند تا حجم آن کاهش یابد.

هم چنین به دلیل ملاحظات ایمنی اغلب اوقات دما در فرآیند بسیار پایین است، در چنینی شرایطی اگر بخواهیم که هیدرات گازی نداشته باشیم بایستی عامل سوم را حذف یا کم رنگ کنیم.

این کار در پالایشگاه های گاز در فرآیند نم زدایی اتفاق می افتد و مقدار حذف رطوبت نیز باید به گونه ای باشد تا رطوبت باقی مانده در گاز آنقدر کم باشد که
پتانسیل تشکیل هیدرات در گاز وجود نداشته باشد.

شکل زیر مقادیر تخمینی استاندارد گاز خروجی از یک پالایشگاه گاز را نشان می دهد:

از طرفی پایداری هیدرات هم نقش مهمی در شرایط تشکیل هیدرات دارد، یعنی هیدرات های پایدارتر در دماهای بالاتر هم قابلیت تشکیل دارند که
این موضوع به ترکیبات موجود در گاز آن منطقه وابسته است.

اما به طور کلی نمودار زیر شرایط تشکیل هیدرات را در دما و فشار مختلف و برای ترکیبات مختلف نشان می دهد.

به طور کلی نقطه شبنم مخلوط گازی در پیدا کردن نقطه تشکیل هیدرات بسیار مهم است، از این رو حتی در بسیاری از روش های جلوگیری از تشکیل هیدرات تلاش بر این است که
نقطه شبنم گاز را تا حد ممکن کم کنند.

5# روش های جلوگیری از تشکیل هیدرات

به طور کلی این روش ها بر اساس نوع مکانیزم عملکرد به سه دسته تقسیم بندی می شوند که عبارت اند از:

• Low Dosage Hydrate Inhibitors
• Kinetic Hydrate Inhibitors
• Antiagglomerants

روش اول که به آن ها بازدارنده های ترمودینامیکی هم گفته می شود، با کاهش دمای هیدراته شدن به عدم تشکیل هیدرات کمک می کند.

این کار با تزریق برخی مواد به مخلوط گازی صورت می گیرد، این مواد معمولا متانول و گلایکول ها هستند.

شکل زیر تغییرات نقطه انجماد یک محلول آب و گلایکول را در درصد وزنی های مختلف نشان می دهد:

همانطور که مشاهده می شود، با افزایش میزان غلظت گلایکول، نقطه انجماد آب از 30 درجه فارنهایت به 50- فارنهایت هم خواهد رسید.

روش دوم معمولا با ایجاد تغییرات در پارامترهای سینتیکی باعث کاهش تشکیل سرعت هیدرات می شود.

از روش سوم نیز برای محدودکردن اندازه هیدرات های ایجاد شده به ابعاد میلی متری استفاده می شود.

6# کاربرد های هیدرات

تا به اینجا هر آنچه گفته شد از مضرات هیدرات گازی بود؛ اما بر خلاف تصور این ترکیبات می توانند، فایده هایی نیز داشته باشند.

یکی از مهم ترین چالش های انتقال گاز این است که گاز ها به طور کلی دارای حجم بسیار زیادی هستند و
علی رغم فشرده سازی آن ها، باز هم مشکلاتی در انتقال آن ها وجود دارد.

با مایع کردن گاز های قابل میعان تا حدودی این مشکل حل می شود؛ اما تصور کنید به جای مایع کردن گاز، آن ها را به جامد تبدیل کنیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

حجم آن گاز بسیار کم خواهد شد که این موضوع در بحث انتقال و ذخیره سازی بسیار اهمیت دارد؛ یعنی با وجود حجم کمتر شما می توانید گاز بیشتری را انتقال دهید و یا ذخیره کنید.

این موضوع البته در حال حاضر توسعه نیافته و در حال بررسی است و
در صورت وجود یک فرآیند مناسب و قابل اجرا برای تبدیل گاز به هیدرات، انقلابی در زمینه انتقال و ذخیره فرآیند های گازی شکل خواهد گرفت.

در آخر برای آشنایی بیشتر با این مقوله پیشنهاد می کنیم، کتاب GPSA که یکی از منابع ارزشمند در زمینه طراحی در مهندسی فرآیند هست را مطالعه بفرمایید.