A Novel Apparatus Design, Experimental Methods and Validation for Temperature Controlled Directional Crystallization of High-Pressure Gas Hydrate Systems

Abstract

A novel, high-pressure, bilateral temperature control stage (HP-BTCS) was developed to study gas hydrate growth and dissociation. The design allowed for tight control of the crystallization substrate temperature, independent of the ambient conditions. Using the HP-BTCS, methane hydrate formation was investigated on a surface with a uniform temperature and on a surface with a constant temperature gradient. The uniform temperature experiments showed a previously unreported transition point in methane hydrate morphology and displayed closely reproducible film morphologies. A single temperature-gradient experiment showed transitions in morphology with respect to driving force. These transitions were found to be consistently reproducible, and occurred due to a change from continuous crystal growth to polycrystalline adhesive type growth. The temperature gradient was also used to control solid-liquid interface position during gas hydrate dissociation. The controlled dissociation allowed for stationary observations of hydrate-liquid-vapour (H-L-V) equilibrium, providing a simple and fast method for phase equilibrium measurements. The temperature gradient was used to correlate film velocity (apparent growth kinetics) and supercooling. Thus, the ability to observe gas hydrate growth on tightly controlled temperature gradients was found to reduce multi-trial methods to a single experiment that: (1) quantifies morphology/growth mechanism transitions with respect to temperature, (2) measures the H-L-V equilibrium temperature at the experimental pressure, and (3) correlates the apparent kinetics with respect to temperature. This could provide a quick way to screen the agglomeration, thermodynamic and kinetic effects of a potential hydrate inhibitor/promoter.

Une nouvelle platine avec contrôle bilatérale de la température à haute pression, (PCBT-HP) a été conçue pour étudier la croissance des hydrates de gaz ainsi que leur dissociation. Le concept innovateur a permis un contrôle strict de la température du substrat de cristallisation, indépendamment des conditions ambiantes. En utilisant la PCBT-HP, la formation d'hydrate de méthane a été étudiée sur une surface avec une température de surface uniforme et sur une surface avec un gradient de température constant. Les expériences de température uniformes ont montré un point de transition précédemment non déclarées dans la morphologie de l'hydrate de méthane et ils sont affichés des morphologies de films étroitement reproductibles. Une seule expérience avec un gradient de température a permis de monter transitions dans la morphologie par rapport à la force d'entrainement. Ces transitions sont avérées être toujours reproductibles et ils se sont produites en raison d'un changement de croissance des cristaux continue à une croissance polycristalline de type adhésif. Le gradient de température a également été utilisé pour contrôler la position de l'interface solide-liquide au cours de la dissociation des hydrates gazeux. Le réglage de la dissociation a permis des observations stationnaires de l'équilibre hydrate-liquide-vapeur (HLV), fournissant une méthode simple et rapide pour les mesures d'équilibre de phase. Le gradient de température a été utilisé pour établir une corrélation entre la vitesse du film (cinétique de croissance apparente) et le sur-refroidissement. Ainsi, la capacité d'observer la croissance des hydrates de gaz sur des gradients de température étroitement contrôlés réduit les méthodes multi-essais à une seule expérience qui : (1) quantifie les transitions morphologie/mécanisme de croissance par rapport à la température, (2) mesure la température d'équilibre HLV à la pression expérimentale et (3) corrèle la cinétique apparente en fonction de la température. Cela pourrait fournir un moyen rapide pour dépister l'agglomération, ainsi que les effets thermodynamiques et cinétiques d'un potentiel inhibiteur / promoteur des hydrates gazeux.