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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2020.tde-18032021-115011
Documento
Autor
Nome completo
Ehsan Heidaryan
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2020
Orientador
Banca examinadora
Fuentes, Maria Dolores Robustillo (Presidente)
Aimoli, Cassiano Gomes
Policarpo, Nara Angélica
Ribeiro, Paulo Roberto
Seckler, Marcelo Martins
Título em inglês
Kinetic study on gas hydrate formation and dissociation.
Palavras-chave em inglês
Clathrate gas hydrates
High-pressure microcalorimetry (HPµDSC)
Molecular dynamics (MD) simulation
Raman spectroscopy
Second moment
Resumo em inglês
In 1884, Jacobus Henricus van't Hoff and Henry Louis Le Chatelier started the race for understanding chemical kinetics and equilibrium. Consequently, the scientific prowling for coming up direction, stability, and ending point of chemical reactions has not stopped. Equilibrium and kinetic of gas hydrates (also called clathrates), which are crystalline structures formed by light gas molecules (guest) enclosed by water molecules linked by hydrogen bonds, are part of this great race. Accurate knowledge of equilibrium and kinetic of gas hydrates is vital in both flow assurance of transport lines and energy production from the seabed. Traditionally, most of gas hydrates kinetic studies determine the moles of gas consumed from pressure changes measurements when the gas is getting dissolved into water to form the hydrate in an isolated system. So, in this research, a study in a standard reactor has been carried out to evaluate methane hydrate formation and dissociation at 276.2 K and various pressures of 2700, 2900 and 3200 kPa. Among many studied parameters, the second moment of the particle size distribution (µ2(t)) is the key factor to understand the properties of the produced gas hydrate even there is a wide crystal size distribution in practice, since it is related to the kinetic constant. The main objective of this dissertation is to determine methane hydrate µ2(t) based on an analytical model deduced from mass balance. In the construction of the current model, parameters of hydration number, the molar volume of gas hydrates, the initial amount of water contained in the system, and the total number of moles of reacted water are considered. The parameter of hydration number was determined by analytical analysis of quadrupole point while the molar volume of gas hydrates was calculated by using the molecular dynamics (MD) simulation technique. The initial number of moles of reacted water in current research was determined by In-situ Raman spectroscopy and results were validated against the analytical and semi-analytical rigorous model available in the open literature. The total number of moles of reacted water was calculated through a threephase flash. In the last step of the study, High Pressure micro Differential Scanning Calorimetry (HP-µDSC) has been used to better understand phase equilibrium and self-preservation phenomenon, and to determine the acting surface of methane hydrate, which is a crucial parameter in methane hydrate dissociation kinetic. Finally, a new model for methane hydrate dissociation kinetics was proposed and its validity was assessed against experimental data, showing a better agreement when compared to the conventional model approach.
Título em português
Estudo cinético da formação e dissociação de hidratos de gás.
Palavras-chave em português
Espectroscopia Raman
Hidratos de gás
Metano
Micro-calorimetria de alta pressão (HP-µDSC)
Segundo momento
Simulação de dinâmica molecular (MD)
Resumo em português
Em 1884 iniciou-se a corrida pela compreensão da cinética e do equilíbrio químico, com os trabalhos de Jacobus Henricus van't Hoff e Henry Louis Le Chatelier. Desde então, a investigação científica sobre a direção, a estabilidade e o equilíbrio das reações químicas não parou. O estudo do equilíbrio e a cinética de formação dos hidratos (ou clatratos) de gás, cristais contendo moléculas de gás em estruturas formadas por moléculas de água ligadas por ligações de hidrogênio, faz parte dessa grande corrida. O conhecimento preciso do equilíbrio e da cinética de formação dos hidratos de gás é vital para garantir a vazão das linhas de transporte de gás natural. Tradicionalmente, a maioria dos estudos cinéticos analisa a solução e a dissolução indicadas pelas mudanças de pressão em um sistema fechado. Nesta pesquisa, um estudo em reator padrão foi usado para avaliar a formação e dissociação de hidrato de metano a 276,2 K e várias pressões (2700, 2900 e 3200kPa). Entre os muitos parâmetros estudados, o segundo momento da distribuição de tamanho de partícula (µ2(t)) mostrou-se a chave para o entendimento do hidrato de gás produzido. O principal objetivo desta tese, portanto, foi determinar o segundo momento da distribuição de tamanho do hidrato de metano µ2(t) com base em um modelo analítico deduzido do balanço de massa. Na construção do modelo, os parâmetros como o número de hidratação, o volume molar do hidrato de gás, a quantidade inicial de água reagida e a quantidade total de água reagida são encontrados. O parâmetro de número de hidratação foi determinado pela análise analítica do ponto de quadrupolo, enquanto o volume molar de hidratos foi calculado usando a técnica de simulação de dinâmica molecular (MD). O número inicial de moles de água reagida foi determinada por espectroscopia Raman in situ, e os resultados foram validados por modelos rigorosos (analítico e semi-analítico) disponíveis na literatura aberta. O número total de mols de água reagida foi calculado por meio de um flash trifásico. Na última etapa do estudo, micro-calorimetria diferencial de alta pressão (HP-µDSC) foi usada para entender melhor o equilíbrio de fases e determinar a superfície ativa do hidrato de metano, parâmetro crucial na cinética de dissociação dos hidratos. Finalmente, um novo modelo de dissociação de hidrato de metano foi proposto, e sua validade foi verificada, mostrando uma melhor concordância com os dados experimentais quando comparado à abordagem convencional.
 
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Data de Publicação
2021-03-24
 
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