ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗОПРОПАНОЛА НА КИНЕТИКУ ЗАМЕЩЕНИЯ МЕТАНА  НА УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ В ГАЗОВЫХ ГИДРАТАХ

Д.А. Струков; С.А. Картопольцев; С.С. Скиба

doi:10.6060/rcj.2024684.7

Д.А. Струков Институт Неорганической Химии им. Николаева СО РАН
С.А. Картопольцев Институт Неорганической Химии им. Николаева СО РАН
С.С. Скиба Институт Неорганической Химии им. Николаева СО РАН, ООО РН-КрасноярскНИПИНефть

DOI: https://doi.org/10.6060/rcj.2024684.7

Ключевые слова: газовый гидрат, метан, углекислый газ, замещение, добавки, изопропанол

Аннотация

Один из вариантов добычи горючего газа из залежей природных газовых гидратов подразумевает закачку CO₂ в гидратоносный пласт. При этом молекулы двуокиси углерода замещают молекулы метана в гидратном каркасе, построенном из молекул воды, таким образом, данный подход потенциально может обеспечить одновременное получение природного газа и захоронение продуктов его сгорания. Как показали первые полевые испытания, основными технологическими проблемами при реализации этого процесса являются низкая скорость замещения метана на углекислый газ и зарастание призабойной зоны гидратом углекислого газа, что влечет за собой ухудшение проницаемости породы и, в свою очередь, делает невозможным дальнейшее инжектирование углекислого газа в пласт. Известно, что изопропиловый спирт способен образовывать двойной гидрат с метаном, при этом для гидрата углекислого газа он является термодинамическим ингибитором, что может благоприятствовать предотвращению зарастания нагнетательной скважины гидратом СО₂. В представленной работе исследовано влияние изопропанола на скорость реакции замещения метана на углекислый газ в газовых гидратах. Исследования были проведены на модельной системе при использовании в качестве исходного образца порошка гидрата метана. Полученные результаты показывают, что при Р-Т условиях проведения процесса 2,3 МПа и 258,5 К данный спирт оказывает умеренное влияние на кинетические характеристики данного процесса. Добавление спирта ведет к ускорению реакции замещения метана на углекислый газ в газовых гидратах.

Для цитирования:

Струков Д.А., Картопольцев С.А., Скиба С.С. Изучение влияния изопропанола на кинетику замещения метана на углекислый газ в газовых гидратах. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2024. Т. LXVIII. № 4. С. 60-66. DOI: 10.6060/rcj.2024684.7.

Литература

Makogon Y. Natural gas hydrates – A promising source of energy. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2010. V. 2. N 1. P. 49-59. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2009.12.004.

Kvenvolden K. Gas hydrates—geological perspective and global change. Reviews of Geophysics. 1993. V. 31. N 2. P. 173-187. https://doi.org/10.1029/93RG00268.

Ginsburg G.D. Gas hydrate accumulation in deep-water marine sediments. Geological Society London Special Publications. 1998. V. 137. N 1. P. 51-62. https://doi.org/10.1144/ GSL.SP.1998.137.01.04.

Тептерева Г.А., Пахомов С.И., Четвертнева И.А., Каримов Э.Х., Егоров М.П., Мовсумзаде Э.М., Евстигнеев Э.И., Васильев А.В., Севастьянова М.В., Волошин А.И., Нифантьев Н.Э., Носов В.В., Докичев В.А., Бабаев Э.Р., Роговина С.З., Берлин А.А., Фахреева А.В., Баулин О.А., Колчина Г.Ю., Воронов М.С., Староверов Д.В., Козловский И.А., Козловский Р.А., Тарасова Н.П., Занин А.А., Кривобородов Е.Г., Кари-мов О.Х., Флид В.Р., Логинова М.Е. Возобновляемые природные сырьевые ресурсы, строение, свойства, перспективы применения. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64. Вып. 9. С. 4-121. DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465. Teptereva G.A., Pakhomov S.I., Chetvertneva I.A., Karimov E.Kh., Egorov M.P., Movsumzade E.M., Evstigneev E.I., Vasilyev A.V., Sevastyanova M.V., Voloshin A.I., Nifantiev N.E., Nosov V.V., Dokichev V.A., Babaev E.R., Rogovina S.Z., Berlin A.A., Fakhreeva A.V., Baulin O.A., Kolchina G.Yu., Voronov M.S., Staroverov D.V., Kozlovsky I.A., Kozlovsky R.A., Tarasova N.P., Zanin A. A.A., Krivoborodov E.G., Karimov O.Kh., Flid V.R., Loginova M.E. Renewable natural raw materials, structure, properties, application prospects. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 9. P. 4-121. DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465. (In Russian).

Sloan E.D., Koh C.A. 2008. Clathrate hydrates of natural gases. 3-d ed. Boca Rator - London - New-York: CRC Press.

MacDonald G.J. The Future of Methane as an Energy Resourse. Ann. Review Energy. 1990. V. 15. P. 53-83. https:// doi.org/10.1146/annurev.eg.15.110190.000413.

Liu L., Sun Z., Zhang L., Wu N., Yichao Q., Jiang Z., Geng W., Cao H., Zhang X., Zhai B., Xu C., Shen Z., and Jia Y. Progress in Global Gas Hydrate Development and Produc-tion as a New Energy Resource. Acta Geologica Sinica (English Edition). 2019. V. 93. N 3. P. 731-755. https://doi.org/10.1111/1755-6724.13876.

Wilson I., Saini S., Sreenivasan H., Sahu C., Krishna S., Gupta P. Review and Perspectives of Energy-Efficient Methane Production from Natural Gas Hydrate Reservoirs Using Carbon Dioxide Exchange Technology. 2023. Energy Fuels. V. 37. N 14. P. 9841-9872. https://doi.org/10.1021/acs. energyfuels.3c00715.

Ndlovu P., Babaee S., Naidoo P. Review on CH4-CO2 re-placement for CO2 sequestration and CH4/CO2 formation in porous media. 2022. Fuel. V. 320. P. 123795. https://doi.org/ 10.1016/ j.fuel.2022.123795.

Liu T., Wu P., Chen Z., Li Y. Review on Carbon Dioxide Replacement of Natural Gas Hydrate: Research Progress and Perspectives. 2022. Energy Fuels. V. 36. N 4. P. 7321-7336. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.2c01292ю

Schoderbek D., Farrell H., Hester K., Howard J., Raterman K., Silpngarmlert S., Martin K.L., Smith B. and Klein P. ConocoPhillips gas hydrate production test final technical report. https://netl.doe.gov/sites/default/files/netl-file/nt0006553-final-report-hydrates.pdf.

Strukov D.A., Kartopol’cev S.A., Sagidullin A.K., Smirnov V.G., Manakov A.Y. and Skiba S.S. Study of the kinetics of methane-carbon dioxide exchange in gas hydrates below the ice melting point. Experimental data and computational model. 2024. V. 736. 179737 p. https://doi.org/10.1016/j.tca. 2024.179737.

Lee B.R., Koh C.A., Sum A.K. Quantitative measurement and mechanisms for CH4 production from hydrates with the injection of liquid CO2. 2014. Phys. Chem. Chem. Phys., V. 16. P. 14922-14927. https://doi.org/10.1039/C4CP01780C.

Falenty A., Qin J., Salamatin A.N., Yang L., Kuhs W.F. Fluid composition and Kinetics of the in-situ Replacement in CH4-CO2 Hydrate System. 2016. J. Phys. Chem. C., V. 120. N 48. P. 27159-27172. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b09460.

Pandey J., Karantonidis C., Karcz A.P., von Solms N. En-hanced CH4-CO2 Hydrate Swapping in the Presence of Low Dosage Methanol. 2020, Energies, V. 13. N 20. P. 5238. https://doi.org/10.3390/en13205238.

Pandey J., Khan S., Karcz A. P., von Solms N. Chemically modified hydrate swapping and hydrate stability during multistage CO2-N2 injection schemes. 2021. Fuel, V. 299. P. 120711. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120711.

Strukov D.A., Kartopol’cev S.A., Manakov A.Y., Skiba S.S. Study of influence of methanol on the kinetics of methane-to-CO2 exchange in gas hydrates. 2024. Mendeleev Commun. in press (accepted).

Sizikov A.A., Manakov A.Y. Double gas hydrate of isopropanol and methane. 2014. Fluid Phase Equilibria, V. 371. P. 75-81. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2014.03.014.

Skiba S., Chashchin D., Semenov A., Yarakhmetov M., Vinokurov V., Sagidullin A., Manakov A., Stoporev A. Hydrate-based separation of the CO2 + H2 mixtures. Phase equilibria with isopropanol aqueous solutions and hydrogen solubility in CO2 hydrate. 2021. Int. J of Hydr Ener. V. 46. N 65. P. 32904-32913. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene. 2021.07.112.

Кольцов Н.И. Нелинейные кинетические законы сохранения в закрытом безградиентном реакторе. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 1. С. 23-29. DOI: 10.6060/ivkkt.20226501.6268. Kol'tsov N.I. Nonlinear kinetic conservation laws in closed gradientless reactor. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 1. P. 23-29 DOI: 10.6060/ivkkt.20226501.6268.

Кольцов Н.И. Решение обратной задачи химической кинетики для закрытого неизотермического реактора. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 2. С. 111-119. DOI: 10.6060/ivkkt.20226502.6288. Kol’tsov N.I. Solving the inverse problem of chemical kinetics for a closed non-isothermal reactor. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 2. P. 111-119. DOI: 10.6060/ivkkt.20226502.6288.

Митрофанов А.В., Мизонов В.Е., Малько М.В., Василе-вич С.В., Зарубин З.В. Формально-кинетические подходы к описанию термического разложения материалов – проблемы идентификациипараметров и интерпретации результатов: краткий обзор. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 7. С. 6-16. DOI: 10.6060/ivkkt.20226507.6579. Mitrofanov A.V., Mizonov V.E., Malko M.V., Vasilevich S.V., Zarubin Z.V. Formal kinetic approaches to the description of thermal decomposition of materials - problems of parameter identification and interpretation of results: a brief review. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 7. P. 6-16. DOI: 10.6060/ivkkt.20226507.6579.

Кольцов Н.И. Влияние дополнительных медленных стадий на кинетические закономерности химических реакций. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 8. С. 32-38. DOI: 10.6060/ivkkt.20226508.6618. Koltsov N.I. The influence of additional slow stages on the kinetic laws of chemical reactions. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 8. P. 32-38. DOI: 10.6060/ivkkt.20226508.6618.

Ярыкин Д.И., Гегова Р.С., Конюхов В.Ю. Кинетика абсорбции диоксида углерода водным раствором карбоната лития. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 1. С. 60-66. DOI: 10.6060/ivkkt.20246701.6823. Yarykin D.I., Gegova R.S., Konyukhov V.Yu. Absorbtion kinetics of carbon dioxide by lithium carbonate aqueous solution. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 1. P. 6066. DOI: 10.6060/ivkkt.20246701.6823.