CC BY
3УДК 544.344.015.3:544.4.032.7
ВЛИЯНИЕ РЯДА АМИНОКИСЛОТ НА ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТА МЕТАНА
Власов В. А., И Мадыгулов М. Ш.
Институт криосферы Земли Тюменского научного центра СО РАН, Тюмень, Россия
E-mail: [email protected]
Экспериментально исследовано влияние L-изолейцина, L-лейцина и L-метионина на термобарические условия образования гидрата метана из жидкой воды. Показано, что в присутствии этих веществ термобарические условия образования гидрата метана мало отличаются от термобарических условий образования гидрата метана из чистой воды. Также экспериментально была изучена кинетика роста гидрата метана из перемешиваемых водных растворов L-изолейцина, L-лейцина и L-метионина с массовой долей 0,5%. Установлено, что наличие этих аминокислот в водном растворе приводит к существенному увеличению скорости роста гидрата метана по сравнению с чистой водой.
Ключевые слова: гидрат метана, аминокислоты, фазовое равновесие, кинетика.
INFLUENCE OF A SERIES OF AMINO ACIDS ON METHANE
HYDRATE FORMATION
Vlasov V. A., И Madygulov M. Sh.
Institute of the Earth Cryosphere, Tyumen Scientific Center, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tyumen, Russia
We experimentally studied the effect of L-isoleucine, L-leucine, and L-methionine on the thermobaric conditions for methane hydrate formation from liquid water. It has been found that in the presence of these substances, the thermobaric conditions for methane hydrate formation differ little from the thermobaric conditions for methane hydrate formation from pure water. We also experimentally studied the kinetics of methane hydrate growth from stirred aqueous solutions of L-isoleucine, L-leucine, and L-methionine with a mass fraction of 0.5%. It has been found that the presence of these amino acids in aqueous solution leads to a significant increase in the growth rate of methane hydrate compared to pure water.
Key words: methane hydrate, amino acids, phase equilibrium, kinetics.
Введение. Эффективность использования газовых гидратов в практических целях напрямую зависит от скорости их получения. Для увеличения скорости роста газовых гидратов предложено использовать различные промоторы [2, 6, 7]. В частности, в качестве промоторов ги-дратообразования предложено использовать аминокислоты [1, 3]. Аминокислоты являются экологически безвредными веществами, и поэтому их использование в качестве промоторов гидратообразования выглядит весьма перспективным.
Цель. В данном исследовании мы хотели экспериментальным путем оценить влияние трех аминокислот (Ъ-изолейцина, L-лейцина и L-метионина) на термобарические условия образования гидрата метана из жидкой воды и на кинетику его роста из жидкой воды.
Методы. В наших экспериментах гидратообразующим газом являлся метан с чистотой не менее 99,9%. Для приготовления растворов мы использовали дистиллированную воду, а также Ъ-изолейцин, Ъ-лейцин и Ъ-метионин с чистотой не менее 99%.
Все эксперименты мы проводили в реакторе высокого давления, который был оснащен двухлопастной мешалкой с верхним приводом. Рабочий объем реактора составлял 243 см3. Схема нашей экспериментальной установки и ее описание приведены в работе [5].
Используя нашу экспериментальную установку, мы определяли точки фазового равновесия для гидрата метана в системах «водный раствор Ъ-изолейцина с массовой долей 3,0% — метан», «водный раствор Ъ-лейцина с массовой долей 2,0% — метан» и «водный раствор Ъ-метионина с массовой долей 3,0% — метан». Эти точки фазового равновесия мы определяли с помощью метода изохорного пошагового поиска равновесного давления [8, 9].
Эксперименты по изучению кинетики роста гидрата метана из перемешиваемых водных растворов аминокислот мы проводили по следующей методике. В реактор наливали водный раствор аминокислоты, содержащий 80,0 г воды. После этого производились сборка и герметизация реактора. Затем реактор помещали в ванну жидкостного термостата, в которой поддерживалась температура 275,2 К. Далее, дождавшись, когда температура Т в реакторе заста-билизируется, мы вакуумировали реактор и напускали в него метан до давления, которое было на 3,6 МПа выше, чем давление равновесия «чистая вода — гидрат метана — метан» при температуре 275,2 К. После напуска метана в реактор мы опять дожидались стабилизации температуры в реакторе и включали мешалку со скоростью 300 об./мин (при этой скорости перемешивания концентрация метана в водном растворе была однородна в нашем случае). После включения мешалки мы фиксировали то, как с течением времени I падает давление метана
р в реакторе вследствие его поглощения водным раствором и последующего гидратообразования. Эксперименты были выполнены с чистой водой и водными растворами Ъ-изолейцина, Ъ-лейцина и Ъ-метионина с массовой долей 0,5%.
Результаты. Полученные нами точки фазового равновесия для гидрата метана показаны на рис. 1. Из данного рисунка видно, что эти точки мало отстоят от линии фазового равновесия «чистая Риа 1. Равшв^ньге терм^арич^кж у^вм для вода — гидрат метана — метан». Данный факт
свидетельствует о том, что наличие Ъ-изолейцина, Ъ-лейцина и Ъ-метионина в водном растворе прак-вода — гидрат метана — метан», рассчитанная с тически не влияет на термобарические условия об-помощью эмпирического уравнения из работы [5] разования гидрата метана.
гидрата метана. Символы — экспериментальные точки фазового равновесия для гидрата метана; синяя линия — линия фазового равновесия «чистая
Рис. 2. Изменение давления метана (а) и массы жидкой воды (б) в реакторе в ходе роста гидрата метана из перемешиваемых водных растворов аминокислот. Символы — экспериментальные данные; пунктирная линия — давление равновесия «чистая вода — гидрат метана — метан» при температуре 275,2 К
На рис. 2 приведены наши экспериментальные данные, полученные в ходе изучения кинетики роста гидрата метана из перемешиваемых водных растворов аминокислот. На рис. 2, а показаны экспериментальные кривые падения давления метана в реакторе в ходе роста гидрата метана, а на рис. 2, б показаны расчетные кривые уменьшения массы воды m в реакторе в ходе этого роста. Из рис. 2 видно, что скорость роста гидрата метана из водных растворов L-изолейцина, L-лейцина и L-метионина значительно выше, чем скорость роста гидрата метана из чистой воды. Также из рис. 2 видно, что из водного раствора L-изолейцина гидрат метана образуется интенсивнее всего.
Выводы. Экспериментально показано, что L-изолейцин, L-лейцин и L-метионин мало влияют на термобарические условия образования гидрата метана из жидкой воды. Также экспериментально показано, что эти аминокислоты являются эффективными промоторами образования гидрата метана. При этом наилучшими промотирующими свойствами из этих аминокислот обладает L-изолейцин.
Работа выполнена по госзаданиям № FWRZ-2021-0010 и № FWRZ-2024-0003.
Список литературы / References
1. Bhattacharjee G., LingaP. Amino acids as kinetic promoters for gas hydrate applications: a mini review // Energy & Fuels. 2021. Vol. 35, N. 9. P. 7553-7571.
2. Chaturvedi E., Laik S., Mandal A. A comprehensive review of the effect of different kinetic promoters on methane hydrate formation // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2021. Vol. 32. P. 1-16.
3. Liu Y., Chen B., Chen Y., Zhang S., Guo W., Cai Y., Tan B., Wang W. Methane storage in a hydrated form as promoted by leucines for possible application to natural gas transportation and storage // Energy Technology. 2015. Vol. 3, N. 8. P. 815-819.
4. Madygulov M. S., Vlasov V. A. Empirical correlation for calculating the pure liquid water — methane hydrate — methane equilibrium pressure // Results in Engineering. 2022. Vol. 16. Article 100719 (5 p.).
5. Madygulov M. S., Vlasov V. A. Kinetics of methane hydrate formation from stirred aqueous NaCl solutions // Chemical Engineering Research and Design. 2024. Vol. 202. P. 267-271.
6. MajidA. A. A., Worley J., Koh C. A. Thermodynamic and kinetic promoters for gas hydrate technological applications // Energy & Fuels. 2021. Vol. 35, N. 23. P. 19288-19301.
7. Nasir Q., Suleman H., Elsheikh Y. A. A review on the role and impact of various additives as promoters/ inhibitors for gas hydrate formation // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2020. Vol. 76. Article 103211 (24 p.).
8. Tohidi B., Burgass R. W., Danesh A., 0stergaard K. K., Todd A. C. Improving the accuracy of gas hydrate dissociation point measurements // Annals of the New York Academy of Sciences. 2000. Vol. 912, N. 1. P. 924-931.
9. Ward Z. T., Deering C. E., Marriott R. A., Sum A. K., Sloan E. D., Koh C. A. Phase equilibrium data and model comparisons for H2S hydrates // Journal of Chemical & Engineering Data. 2015. Vol. 60, N. 2. P. 403-408.
