Analysis of Parameter Values in the van der Waals and Platteeuw Theory for Methane Hydrates Using Monte Carlo Molecular Simulations

The van der Waals and Platteuw (vdVVP) theory has been successfully used to model the thermodynamics of gas hydrates. However, earlier studies have shown that this could be due to the presence of a large number of adjustable parameters whose values are obtained through regression with experimental data. To test this assertion, we carry out a systematic and rigorous study of the performance of various models of vdWP theory that have been proposed over the years. The hydrate phase equilibrium data used for this study is obtained from Monte Carlo molecular simulations of methane hydrates. The parameters of the vdWP theory are regressed from this equilibrium data and compared with their true values obtained directly from simulations. This comparison reveals that (i) methane-water interactions beyond the first cage and methane-methane interactions make a significant contribution to the partition function and thus cannot be neglected, (ii) the rigorous Monte Carlo integration should be used to evaluate the Langmuir constant instead of the spherical smoothed cell approximation, (iii) the parameter values describing the methane-water interactions cannot be correctly regressed from the equilibrium data using the vdVVP theory in its present form, (iv) the regressed empty hydrate property values closely match their true values irrespective of the level of rigor in the theory, and (v) the flexibility of the water lattice forming the hydrate phase needs to be incorporated in the vdWP theory. Since methane is among the simplest of hydrate forming molecules, the conclusions from this study should also hold true for more complicated hydrate guest molecules.

The Experimental and Numerical Studies on Gas Production from Hydrate Reservoir by Depressurization

A set of experimental system to study hydrate dissociation in porous media is built and some experiments on hydrate dissociation by depressurization are carried out. A mathematical model is developed to simulate the hydrate dissociation by depressurization in hydrate-bearing porous media. The model can be used to analyze the effects of the flow of multiphase fluids, the kinetic process and endothermic process of hydrate dissociation, ice-water phase equilibrium, the variation of permeability, convection and conduction on the hydrate dissociation, and gas and water productions. The numerical results agree well with the experimental results, which validate our mathematical model. For a 3-D hydrate reservoir of Class 3, the evolutions of pressure, temperature, and saturations are elucidated and the effects of some main parameters on gas and water rates are analyzed. Numerical results show that gas can be produced effectively from hydrate reservoir in the first stage of depressurization. Then, methods such as thermal stimulation or inhibitor injection should be considered due to the energy deficiency of formation energy. The numerical results for 3-D hydrate reservoir of Class 1 show that the overlying gas hydrate zone can apparently enhance gas rate and prolong life span of gas reservoir.

Modelagem do Equilíbrio de Fases entre Hidrocarbonetos Leves e Pesados

O comportamento de fases para sistemas binários com um hidrocarboneto leve e um pesado é muito importante tanto para o projeto real de um processo quanto para o desenvolvimento de modelos teóricos. Para atender a crescente demanda por informação experimental de equilíbrio de fases a altas pressões, o objetivo deste estudo é obter uma metodologia que substitua parcialmente ou maximize a pouca informação experimental disponível. Para isto propõe-se a modelagem do equilíbrio de fases em misturas de hidrocarboneto leve com um pesado, sem o conhecimento da estrutura molecular do pesado, inferindo-se os parâmetros do modelo a partir da modelagem de dados de ponto de bolha obtidos na literatura. Esta metodologia implica não só na descrição do equilíbrio de fases de um sistema como na estimação das propriedades críticas do pesado, de difícil obtenção devido ao craqueamento destes a altas temperaturas. Neste contexto, este estudo apresenta uma estratégia que estima indiretamente as propriedades críticas dos compostos pesados. Para isto, foram correlacionados dados experimentais de ponto de bolha de misturas binárias contendo um hidrocarboneto leve e um pesado, usando-se dois modelos: o de Peng-Robinson e o TPT1M (Teoria da Polimerização Termodinâmica de primeira ordem de Wertheim modificada). Os parâmetros ajustados com o modelo de Peng-Robinson correspondem diretamente às propriedades críticas do composto pesado, enquanto os ajustados com o modelo TPT1M foram usados para obtê-las. Esta estratégia fornece parâmetros dependentes do modelo, porém permite o cálculo de outras propriedades termodinâmicas, como a extrapolação da temperatura dos dados estudados. Além disso, acredita-se que a correlação dos parâmetros obtidos com as propriedades críticas disponíveis ajudará na caracterização de frações pesadas de composição desconhecida

Análise global da estabilidade termodinâmica de misturas: um estudo com o método do conjunto gerador

O cálculo do equilíbrio de fases é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Mas para resolvê-lo é aconselhável que se estude a priori a estabilidade termodinâmica do sistema, a qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. Tal problema pode ser abordado como um problema de otimização, conhecido como a minimização da função distância do plano tangente à energia livre de Gibbs molar, onde modelos termodinâmicos, de natureza não convexa e não linear, são utilizados para descrevê-lo. Esse fato tem motivado um grande interesse em técnicas de otimização robustas e eficientes para a resolução de problemas relacionados com a termodinâmica do equilíbrio de fases. Como tem sido ressaltado na literatura, para proporcionar uma completa predição do equilíbrio de fases, faz-se necessário não apenas a determinação do minimizador global da função objetivo do teste de estabilidade, mas também a obtenção de todos os seus pontos estacionários. Assim, o desenvolvimento de metodologias para essa tarefa desafiadora tem se tornado uma nova área de pesquisa da otimização global aplicada à termodinâmica do equilíbrio, com interesses comuns na engenharia química e na engenharia do petróleo. O foco do presente trabalho é uma nova metodologia para resolver o problema do teste de estabilidade. Para isso, usa-se o chamado método do conjunto gerador para realizar buscas do tipo local em uma rede de pontos previamente gerada por buscas globais efetuadas com uma metaheurística populacional, no caso o método do enxame de partículas.Para se obter mais de um ponto estacionário, minimizam-se funções de mérito polarizadas, cujos pólos são os pontos previamente encontrados. A metodologia proposta foi testada na análise de quatorze misturas polares previamente consideradas na literatura. Os resultados mostraram que o método proposto é robusto e eficiente a ponto de encontrar, além do minimizador global, todos os pontos estacionários apontados previamente na literatura, sendo também capaz de detectar, em duas misturas ternárias estudadas, pontos estacionários não obtidos pelo chamado método de análise intervalar, uma técnica confiável e muito difundida na literatura. A análise do teste de estabilidade pela simples utilização do método do enxame de partículas associado à técnica de polarização mencionada acima, para a obtenção de mais de um ponto estacionário (sem a busca local feita pelo método do conjunto gerador em uma dada rede de pontos), constitui outra metodologia para a resolução do problema de interesse. Essa utilização é uma novidade secundária deste trabalho. Tal metodologia simplificada exibiu também uma grande robustez, sendo capaz de encontrar todos os pontos estacionários pesquisados. No entanto, quando comparada com a abordagem mais geral proposta aqui, observou-se que tal simplificação pode, em alguns casos onde a função de mérito apresenta uma geometria mais complexa, consumir um tempo de máquina relativamente grande, dessa forma é menos eficiente.

Redução de dimensionalidade em equilíbrio de fases fluidas

Atualmente, existem modelos matemáticos capazes de preverem acuradamente as relações entre propriedades de estado; e esta tarefa é extremamente importante no contexto da Engenharia Química, uma vez que estes modelos podem ser empregados para avaliar a performance de processos químicos. Ademais, eles são de fundamental importância para a simulação de reservatórios de petróleo e processos de separação. Estes modelos são conhecidos como equações de estado, e podem ser usados em problemas de equilíbrios de fases, principalmente em equilíbrios líquido-vapor. Recentemente, um teorema matemático foi formulado (Teorema de Redução), fornecendo as condições para a redução de dimensionalidade de problemas de equilíbrios de fases para misturas multicomponentes descritas por equações de estado cúbicas e regras de mistura e combinação clássicas. Este teorema mostra como para uma classe bem definidade de modelos termodinâmicos (equações de estado cúbicas e regras de mistura clássicas), pode-se reduzir a dimensão de vários problemas de equilíbrios de fases. Este método é muito vantajoso para misturas com muitos componentes, promovendo uma redução significativa no tempo de computação e produzindo resultados acurados. Neste trabalho, apresentamos alguns experimentos numéricos com misturas-testes usando a técnica de redução para obter pressões de ponto de orvalho sob especificação de temperaturas.

Estudo teórico e experimental da velocidade do som em sistemas contendo hidrocarbonetos

A descoberta de reservatórios de petróleo na camada do pré-sal abriu novas perspectivas para a economia brasileira. A grandes profundidades, com elevado teor de CO2 e submetidos a altas pressões e temperaturas, a exploração de petróleo das camadas de pré-sal constitui um considerável desafio tecnológico. Neste contexto, o conhecimento dos coeficientes de compressibilidade são fundamentais para o estudo do comportamento termodinâmico e escoamento dos fluidos destes campos de produção. Com este objetivo, foram determinadas experimentalmente nesta dissertação a massa específica e a velocidade do som de sistemas envolvendo quatro hidrocarbonetos puros: n-decano, n-hexadecano, decalina e tetralina, assim como para sistemas multicompostos envolvendo estes hidrocarbonetos e para uma amostra de condensado de petróleo. Os resultados obtidos permitiram o cálculo dos coeficientes de compressibilidade isentrópica, isotérmica e isentálpica. É apresentada uma avaliação sobre a capacidade de se correlacionar dados experimentais de velocidade do som aos dados calculados pelas equações de estado de Peng-Robinson e Lee-Kesler com regras de mistura: (i) Spencer e Danner e (ii) Lee-Kesler

Equilíbrio líquido-líquido entre ácido acético, água e fenólicos: experimental e modelagem

Com o passar do tempo, a população mundial vem se conscientizando mais sobre problemas ambientais. Isso fez surgir uma demanda por tecnologias novas que possam se encaixar no cenário de sustentabilidade. Instabilidades frequentes no cenário político-econômico global acabam por elevar o preço do barril do petróleo. Assim a indústria química começa a buscar por alternativas que tenham a mesma versatilidade do petróleo. Dentre as opções de combustíveis renováveis, destaca-se o bio-óleo de pirólise. Seu interesse em estudos científicos vem do fato de poder-se utilizar do rejeito de processos como matéria prima, não necessitando competir por espaço com a plantação de alimentos. Sua composição pode ser representada por ácidos e fenóis. Em especial destacamos o ácido acético e fenóis oxigenados como m-cresol, o-cresol, p-cresol e guaiacol por estarem presentes em grandes quantidades. Sua separação das frações menos polares do bio-óleo pode ser realizada por meio de extração com água que é um reagente abundante e de baixo custo. O conhecimento das propriedades desses componentes puros é amplamente disponível na literatura, porém dados de composições das fases corrosivas, como misturas ternárias de água-ácido acético-m-cresol/o-cresol/p-cresol/guaiacol nas temperaturas de (298,15, 310,65 e 323,15) K são escassos. Devido a isso, o uso de modelos termodinâmicos para simulação do comportamento desses sistemas torna-se interessante. Todavia, quando são testadas as capacidades dos modelos clássicos, como o UNIFAC e NRTL, percebe-se que os mesmos não conseguem reproduzir o comportamento da binodal dos componentes corrosivos. Sendo assim, essa dissertação investigou soluções para melhorar a descrição desses sistemas, assim como obteve dados experimentais para tais sistemas de misturas ternárias de água-ácido acético-m-cresol/o-cresol/p-cresol/guaiacol nas temperaturas de (298,15, 310,65 e 323,15) K; desenvolveu-se uma metodologia para estimar parâmetros do modelo NRTL a partir de dados de composição da binodal e verificou-se a possibilidade de utilizar o modelo UNIFAC para prever o comportamento de equilíbrio de fases. Como resultado foram obtidos 314 novos dados experimentais, obtiveram-se parâmetros para o modelo NRTL que conseguem reproduzir com acurácia a forma da binodal com a metodologia proposta e verificou-se a necessidade de aperfeiçoamento no estudo do modelo UNIFAC para otimizar sua utilização na previsão do comportamento dos sistemas estudados

Determinação experimental e modelagem termodinâmica do equilíbrio de fases em sistemas com CO2, n-hexano, n-hexadecano e tetralina

A descoberta de petróleo na camada de Pré-Sal possibilita a geração de ganhos em relação à dependência energética do país, mas também grandes desafios econômicos e tecnológicos. Os custos de extração são maiores devido a vários fatores como a exigência de equipamentos de exploração que suportem elevadas pressões, altas temperaturas e grandes concentrações de gases ácidos, tais quais, dióxido de carbono (CO2) e sulfeto de hidrogênio (H2S). Uma das principais preocupações com o CO2 é evitar liberá-lo para a atmosfera durante a produção. Com a modelagem termodinâmica de dados de equilíbrio de sistemas envolvendo CO2 supercrítico e hidrocarbonetos é possível projetar equipamentos utilizados em processos de separação. A principal motivação do trabalho é o levantamento de dados de equilíbrio de fases de sistemas compostos de CO2 e hidrocarbonetos, possibilitando assim prever o comportamento dessas misturas. Os objetivos específicos são a avaliação do procedimento experimental, a estimação e predição dos parâmetros de interação binários para assim prever o comportamento de fases dos sistemas ternários envolvendo CO2 e hidrocarbonetos. Duas metodologias foram utilizadas para obtenção dos dados de equilíbrio: método estático sintético (visual) e método dinâmico analítico (recirculação das fases). Os sistemas avaliados foram: CO2 + n-hexano, CO2 + tetralina, CO2 + n-hexadecano, CO2 + n-hexano + tetralina e CO2 + tetralina + n-hexadecano à alta pressão; tetralina + n-hexadecano à baixa pressão. Para o tratamento dos dados foi utilizada equação de estado cúbica de Peng-Robinson e a regra de mistura clássica

Effect of microwave on formation/decomposition of natural gas hydrate

Natural gas hydrate (NGH) reservoirs have been considered as a substantial future clean energy resource and how to recover gas from these reservoirs feasibly and economically is very important. Microwave heating will be taken as a promising method for gas production from gas hydrates for its advantages of fast heat transfer and flexible application. In this work, we investigate the formation/decomposition behavior of natural gas hydrate with different power of microwave (2450MHZ), preliminarily analyze the impact of microwave on phase equilibrium of gas hydrate,and make calculation based on van der Waals-Platteeuw model. It is found that microwave of a certain amount of power can reduce the induction time and sub-cooling degree of NGH formation, e.g., 20W microwave power can lead to a decrease of about 3A degrees C in sub-cooling degree and the shortening of induction time from 4.5 hours to 1.3 hours. Microwave can make rapid NGH decomposition, and water from NGH decomposition accelerates the decomposition of NGH with the decomposition of NGH. Under the same pressure, microwave can increase NGH phase equilibrium temperature. Different dielectric properties of each composition of NGH may cause a distinct difference in temperature in the process of NGH decomposition. Therefore, NGH decomposition by microwave can be affected by many factors.

Clathrate Dissociation Conditions for Methane + Tetra-n-butyl Ammonium Bromide (TBAB) + Water

Hydrate equilibrium data of the CH4 + tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB) + water have been measured by using the isothermal pressure search method for four components of TBAB aqueous solutions. The three-phase equilibrium lines obtained in the present study are shifted to the low-temperature or high-pressure side from that of the stoichiometric TBAB solution. Moreover, methane uptake into semi-clathrates is confirmed by a shift in the clathrate regions when methane is present. The experiments are carried out in the pressure range of (0.5 to 11) MPa and in the temperature range of (281.15 to 295.15) K.

Calculating the equation of state parameters and predicting the spinodal curve of isotactic polypropylene/poly(ethylene-co-octene) blend by molecular dynamics simulations combined with Sanchez-Lacombe lattice fluid theory

Molecular dynamics simulations are adopted to calculate the equation of state characteristic parameters P*, rho*, and T* of isotactic polypropylene (iPP) and poly(ethylene-co-octene) (PEOC), which can be further used in the Sanchez-Lacombe lattice fluid theory (SLLFT) to describe the respective physical properties. The calculated T* is a function of the temperature, which was also found in the literature. To solve this problem, we propose a Boltzmann fitting of the data and obtain T* at the high-temperature limit. With these characteristic parameters, the pressure-volume-temperature (PVT) data of iPP and PEOC are predicted by the SLLFT equation of state. To justify the correctness of our results, we also obtain the PVT data for iPP and PEOC by experiments. Good agreement is found between the two sets of data. By integrating the Euler-Lagrange equation and the Cahn-Hilliard relation, we predict the density profiles and the surface tensions for iPP and PEOC, respectively. Furthermore, a recursive method is proposed to obtain the characteristic interaction energy parameter between iPP and PEOC. This method, which does not require fitting to the experimental phase equilibrium data, suggests an alternative way to predict the phase diagrams that are not easily obtained in experiments.

Order-disorder transition in eicosylated polyethyleneimine comblike polymers

Order-disorder transition (ODT) behavior in eicosylated polyethyleneimine (PEI20C) comblike polymer obtained by grafting n-eicosyl group on polyethyleneimine backbone was systematically investigated by the combination of differential scanning calorimetry (DSC), wide-angle X-ray diffraction (WAXD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy as well as solid-state high resolution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. DSC investigations showed two obvious transitions, assigned to the transitions (1) from orthorhombic to hexagonal and (2) from hexagonal to amorphous phase, respectively. These transitions are induced by the variations of alkyl side chain conformation and packing structure with temperature changing, which consequently lead to the destruction of original phase equilibrium. The ODT behavior can also be confirmed by spectroscopic methods like WAXD, FTIR and NMR. The ordered structure and the transition behavior of the alkyl side chains confined by the PEI backbone are obviously different from those of pristine normal alkanes. The transition mechanism of ODT and the origin of the phase transition behavior in PEI20C comblike polymer were discussed in detail in this paper.

What has brought on the effects of number-average molecular weight on the spinodals in polymer mixtures?

On the basis of the thermodynamics of Gibbs, the spinodal for the quasibinary system was derived in the framework of the Sanchez-Lacombe lattice fluid theory. All of the spinodals were calculated based on a model polydisperse polymer mixture, where each polymer contains three different molecular weight subcomponents. According to our calculations, the spinodal depends on both weight-average ((M) over bar (w)) and number-average ((M) over bar (n)) molecular weights, whereas that of the z-average molecular weight is invisible. Moreover, the extreme of the spinodal decreases when the polydispersity index (eta = (M) over bar (w)/(M) over bar (n)) of the polymer increases. The effect of polydispersity on the spinodal decreases when the molecular weight gets larger and can be negligible at a certain large molecular weight. It is well-known that the influence of polydispersity on the phase equilibrium (coexisting curve, cloud point curves) is much more pronounced than on the spinodal. The effect of M, on the spinodal is discussed as it results from the infuluence of composition temperatures, molecular weight, and the latter's distribution on free volume. An approximate expression, which is in the assumptions of v* v(1)* = v(2)* and 1/r --> 0 for both of the polymers, was also derived for simplification. It can be used in high molecular weight, although it failed to make visible the effect of number-average molecular weight on the spinodal.

南海天然气水合物地热学研究

Through generalizing the thermal field characteristics in gas hydrates distribution area in the world, the favorable thermal conditions for gas hydrates in the South China Sea are analyzed firstly. On the basis of above analysis, focused on the gas hydrates stability zone (GHSZ), the dissertation initiated the gas hydrates studies with geothermal methods in the South China Sea which will provide useful information for gas hydrates resource exploration and evaluation in the future. On the basis of study on hydrates phase equilibrium and the GHSZ affecting factors, the potential planar distribution of gas hydrates is determined by studying the temperature and pressure conditions in the sea bottom with different water depth, and the thickness of GHSZ is attained by solving the hydrates phase boundary curve equation and geothermal gradient curve equation. The result shows that, if the chemical composition of hydrocarbons contains methane only and the salt content of water is 3.5%, hydrates can form and keep stable at sea bottom at water depth not less than 550m, and the thickness of GHSZ is more than 200m in Xisha Through, Southeastern area of Dongsha Islands, Southwestern basin of Taiwan Island, northern area of Nansha Trough. The GHSZ is thicker with heat flow, geothermal gradient, and thermal conductivity decreasing, and with water depth increasing. Geothermal field simulating also attains the base of GHSZ in Xisha through, which is less than the depth of BSR. Although the present T-P conditions is not the most favorable for gas hydrates through 6Ma history, gas hydrates are still profitable in Xisha Through, Southeastern area of Dongsha Islands, Southwestern basin of Taiwan Island, Luzon Trough and northern area of Nansha Trough by systemic study on the sedimentary and structural characteristics, the conditions of T-P and natural gas source, considering geochemical and geophysical indications found in the South China Sea.