НУКЛЕАЦИЯ ГАЗОВОГО ГИДРАТА ЧЕРЕЗ ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ СОСТОЯНИЯ

В.Г. Смирнов; А.Ю. Манаков

doi:10.6060/rcj.2024684.8

В.Г. Смирнов Лаборатория клатратных соединений, Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН
А.Ю. Манаков Лаборатория клатратных соединений, Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Кафедра Нефтегазовой Инженерии, Казанский Федеральный Университет

DOI: https://doi.org/10.6060/rcj.2024684.8

Ключевые слова: газовый гидрат, нуклеация, промежуточные состояния, уравнение нуклеации

Аннотация

Газовый гидрат является сложным двухкомпонентным кристаллом, имеющим несколько уровней организации. В настоящее время активно изучается механизм нуклеации газовых гидратов. Нуклеация это вероятностный процесс появления в метастабильной фазе первого способного к самостоятельному росту зародыша кристалла. По мнению многих исследователей нуклеация газового гидрата протекает как многостадийный процесс упорядочивания молекул воды и газа. В настоящей работе представлено кинетическое описание потенциальных схем нуклеации, через одно, два или три промежуточных состояния. Для рассматриваемых схем нуклеации получены математические уравнения, определяющие распределение во времени количества событий нуклеации в большом ансамбле ячеек. Уравнения, описывающие разные схемы нуклеации газового гидрата, сопоставлены между собой, а также с уравнением, следующим из классической теории нуклеации. Во всех рассмотренных схемах полученные уравнения содержат сумму затухающих во времени экспонент. Количество таких слагаемых, численные значения предэкспоненциальных множителей и аргументов у экспонент содержат в себе информацию о количестве внутренних переходов и их скорости в процессе нуклеации. Высказано предложение аппроксимировать результаты экспериментов по нуклеации газового гидрата уравнениями, содержащими несколько экспоненциально затухающих слагаемых.

Для цитирования:

Смирнов В.Г., Манаков А.Ю. Нуклеация газового гидрата через промежуточные состояния. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2024. Т. LXVIII. № 4. С. 67-73. DOI: 10.6060/rcj.2024684.8.

Литература

Koh C. A., Sloan E. D., Sum A. K., and Wu D. T. Funda-mentals and Applications of Gas Hydrates. Annual review of chemical and biomolecular engineering. 2011, 2, 237-57. DOI: 10.1146/annurev-chembioeng-061010-114152.

Bi Y., Porras A., Li T. Free energy landscape and molecular pathways of gas hydrate nucleation. Journal of Chemical Physics. 2016, 145, 211909. DOI: 10.1063/1.4961241.

Karthika S., Radhakrishnan T. K., Kalaichelvi P. A Review of Classical and Nonclassical Nucleation Theories. Crystal. Growth Design. 2016. 16. 6663−81. DOI: 10.1021/acs.cgd. 6b00794.

Cui J., Sun Z., Wang X., Yu B., Leng S., Chen G., Sun C. Fundamental mechanisms and phenomena of clathrate hydrate nucleation. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019. 27. 2014–25. DOI: 10.1016/j.cjche.2018.12.016.

Wei Yu, Maeda N. Mechanisms of the memory effect of clathrate hydrates. Chemical Engineering Science. 2023. 270. 118538. DOI: 10.1016/j.ces.2023.118538.

Shestakov V. A., Sagidullin A. K., Stoporev A. S., Grachev E. V., Manakov A. Yu. Analysis of methane hydrate nucleation in water-in-oil emulsions: Isothermal vs constant cooling ramp method and new method for data treatment. Journal of Molecular Liquids. 2020. 318. 114018. DOI: 10.1016/j.molliq.2020.114018.

Lim V. W. S., Barwood M. T. J., Metaxas P. J., Johns M. L., Aman Z. M., May E. F. Nucleation rates of carbon dioxide hydrate. Chemical Engineering Journal. 2022. 443. 136359. DOI: 10.1016/j.cej.2022.136359.

Strukov D. A., Manakov A. Yu. Nucleation of carbon dioxide hydrate in water with variable salt composition. Mendeleev Communication. 2023. 33. 614–15. DOI: 10.1016/j.mencom.2023.09.007.

Strukov D. A., Smirnov V. G., Manakov A. Y. Nucleation of Methane Hydrate in Surfactant Solutions in Cells Made of Teflon, Stainless Steel, and Glass. Energy&Fuels 2024. 38. 16294-304. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.4c02396.

Vekilov P. G. Nucleation. Crystal Growth & Design. 2010, 10. 12. 5007–19. DOI: 10.1021/cg1011633.

Devos C., Van Gerven T., Kuhn S. A Review of Experi-mental Methods for Nucleation Rate Determination in Large-Volume Batch and Microfluidic Crystallization. Crystal Growth Design. 2021. 21. 2541−65. DOI: 10.1021/acs.cgd.0c01606.

Шарафеев Ш.М., Шеховцов В.В., Звягина Е.Е. Влияние компонентного состава сырьевой смеси на процессы спекания и кристаллизации кордиеритовых стекол, полученных путем плавления в термической плазме. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 7. С. 8087. DOI: 10.6060/ivkkt.20246707.7032.

Ke W., Svartaas T. M., Chen D. A review of gas hydrate nucleation theories and growth models. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2019. 61. 169–96. DOI: 10.1016/ j.jngse.2018.10.021

Kashchiev D. Classical nucleation theory approach to two-step nucleation of crystals. Journal of Crystal Growth. 2020. 530. 125300. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125300.

Walsh M. R., Koh C. A., Sloan E.D., Sum A. K., Wu D. T. Microsecond Simulations of Spontaneous Methane Hydrate Nucleation and Growth. Science. 2009. 326. 1095-98. DOI: 10.1126/science.1174010.

Усачева Т.Р., Крайнова А.А., Виноградова Л.А., Оганян В.В., Кокурина Г.Н., Мышенков М.С., Ануфриков Ю.А., Шашерина А.Ю., Адамцевич А.О. Исследование влияния модификаторов на гидратацию цемента методом изотермической калориметрии. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 6. С. 88-93. DOI: 10.6060/ivkkt.20246706.6979.

Кожевников И.С., Богословский А.В. Реологические свойства низкотемпературных гелеобразующих составов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 8. С. 22-28. DOI: 10.6060/ivkkt.20246708.1t.

Крутова О.Н., Базанов М.И., Черников В.В., Крутов П.Д., Романов Р.А. Термодинамика ступенчатой диссоциации глицил-D-фенилаланина в водном растворе. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 2. С. 6-12. DOI: 10.6060/ivkkt.20246702.6882.

Jacobson L. C., Hujo W., and Molinero V. Amorphous Precursors in the Nucleation of Clathrate Hydrates. Journal of the American Chemical Society. 2010, 132. 33. 11806–11. DOI: 10.1021/ja1051445.