A 3-in-1 Approach to Evaluate Gas Hydrate Inhibitors

Abstract

A novel method to screen crystal morphology, thermodynamics, and kinetic effects of gas hydrate inhibitors is presented. This method allowed tight control of the temperature at the crystallization surface irrespective of ambient conditions. New insights into the mechanisms of methane hydrate formation and dissociation in the presence of thermodynamic inhibitors (monoethylene glycol, sodium chloride), a kinetic inhibitor (polyvinylpyrrolidone) (PVP), and an antiagglomerant (tertbutylammoniumbromide) (TBAB) are provided. The methane hydrate formation/decomposition was investigated on a uniform temperature surface and a constant temperature gradient surface. Temperature-gradients were used to relate the hydrate morphology and growth rate to the driving force. The hydrate morphology and crystal growth behavior were found to vary significantly due to the presence of additives. The hydrate formed in the presence of PVP and TBAB were more stable than those formed with pure water. All of the systems studied showed hydrate propagation onto the sapphire surface outside the original water boundary. The presence of NaCl, EG, PVP, and TBAB significantly reduced the hydrate growth rate, however, massive hydrates were formed with TBAB at higher subcoolings. Hydrate phase equilibria were also studied. The presence of PVP and TBAB had no impact on methane hydrate phase equilibria at the concentrations used. Compared to traditional multi-trial methods, the main advantage of this method is that only a single experiment is required to (1) correlate the crystal growth behavior and hydrate morphology with respect to temperature, (2) the H-L-V equilibrium temperature at the experimental pressure, and (3) the change in hydrate growth velocity with respect to temperature. Thus, this novel 3-in-1 Approach effectively allows the assessment of crystal morphology, apparent kinetics and phase equilibria of gas hydrates in the presence of hydrate inhibitors.

Une nouvelle méthode capable d'analyser la morphologie des cristaux ainsi que la thermodynamique et les effets cinétiques des inhibiteurs d'hydrates de gaz est présentée. Cette méthode permet un contrôle précis de la température de cristallisation indépendamment des conditions ambiantes. Des nouvelles perspectives sur les mécanismes de formation et de dissociation des hydrates de méthane en présence d'inhibiteurs thermodynamiques (mono éthylène glycol, chlorure de sodium), d'un inhibiteur cinétique (poly-vinylpyrrolidone, PVP) et d'un antiagglomérant (tertbutylammoniumbromide, TBAB) sont présentées. La formation ainsi que la décomposition des hydrates de méthane ont été étudiées sur une surface à température uniforme ainsi sur un gradient de température. Le gradient de température a été utilisé pour établir une corrélation entre la morphologie des hydrates, les taux de croissance et la force d'entrainement. Il a été démontré que le comportement de la morphologie des hydrates et de la croissance des cristaux varie considérablement en raison de la présence d'additifs. Les hydrates formés en présence de PVP et TBAB se sont révélés plus stables que ceux formés à partir de l'eau pure. De plus, tous les systèmes étudiés ont révélé la propagation d'hydrates dans la surface du saphir à l'extérieur du volume d'eau initial. La présence de NaCl, EG, PVP et TBAB a réduit significativement le taux de croissance des hydrates. Cependant, en présence de TBAB et une haute force d'entrainement des hydrates massifs se sont formés. L'équilibre des phases des hydrates a aussi été étudié. La présence de PVP et de TBAB n'a eu aucun impact sur l'équilibre des phases du méthane hydrate aux concentrations utilisées. Comparé aux méthodes traditionnelles de multi-essai, l'avantage principal de cette méthode est que seulement une expérience est requise pour évaluer : (1) la corrélation entre la croissance des cristaux et la morphologie des hydrates par rapport à la température (2) l'équilibre H-L-V de la température à la pression expérimentale (3) Le changement de vitesse dans la croissance des hydrates par rapport à la température. En conclusion, cette nouvelle méthode permet d'évaluer efficacement la morphologie des cristaux, les propriétés cinétiques