Hydrat von Clathrate (oder Benzin clathrates, Gashydrat, clathrates, Hydrat, usw.)

sind kristallene wasserbasierte Festkörper, die physisch Eis ähneln, in dem kleine nichtpolare Moleküle (normalerweise Benzin) oder polare Moleküle mit großen hydrophoben Hälften innerhalb von "Käfigen" von verpfändeten Wassermolekülen von Wasserstoff gefangen werden. Mit anderen Worten, clathrate Hydrat sind Clathrate-Zusammensetzungen, in denen das Wirtsmolekül Wasser ist und das Gast-Molekül normalerweise ein Benzin oder Flüssigkeit ist. Ohne die Unterstützung der gefangenen Moleküle würde die Gitter-Struktur des Hydrats clathrates in die herkömmliche Eiskristallstruktur oder das flüssige Wasser zusammenbrechen. Niedrigstes Molekulargewicht-Benzin (einschließlich, CO, CH, HS, und), sowie einige höhere Kohlenwasserstoffe und freons wird Hydrat bei passenden Temperaturen und Druck bilden. Hydrat von Clathrate ist nicht chemische Zusammensetzungen, weil die einsamen Moleküle zum Gitter nie verpfändet werden. Die Bildung und Zergliederung des clathrate Hydrats sind die ersten Ordnungsphase-Übergänge, nicht chemischen Reaktionen. Ihre ausführliche Bildung und Zergliederungsmechanismen auf einem molekularen Niveau werden noch immer nicht gut verstanden.

Hydrat von Clathrate wurde zuerst 1810 von Herrn Humphry Davy dokumentiert.

Wie man

gefunden hat, sind Clathrates natürlich in großen Mengen vorgekommen. Ungefähr 6.4 Trillionen (d. h. 6.4x10) Tonnen des Methans werden in Ablagerungen des Methans clathrate auf dem tiefen Ozeanboden gefangen. Solche Ablagerungen können auf dem norwegischen Festlandsockel in der nördlichen headwall Flanke des Storegga-Gleitens gefunden werden. Clathrates kann auch als Permafrostboden, als am Gashydrat-Feld von Mallik im Delta von Mackenzie der nordwestlichen kanadischen Arktis bestehen. Dieses Erdgas-Hydrat wird als eine potenziell riesengroße Energiequelle gesehen, aber eine wirtschaftliche Förderungsmethode hat sich bis jetzt schwer erfassbar erwiesen. Kohlenwasserstoff clathrates verursacht Probleme für die Erdölindustrie, weil sie Innengasrohrleitungen bilden können, die häufig auf Stecker-Bildung hinauslaufen. Die tiefe Seeabsetzung des Kohlendioxyds clathrate ist als eine Methode vorgeschlagen worden, dieses Treibhausgas von der Atmosphäre zu entfernen und Klimaveränderung zu kontrollieren.

Wie man

verdächtigt, kommen Clathrates in großen Mengen auf einigen Außenplaneten, Monden und Trans-Neptunian-Gegenständen, verbindlichem Benzin bei ziemlich hohen Temperaturen vor.

Struktur

Gashydrat bildet gewöhnlich zwei crystallographic Kubikstrukturen - Struktur (Typ) ich und Struktur (Typ) II von Raumgruppen und beziehungsweise. Selten kann eine dritte sechseckige Struktur der Raumgruppe (Typ H) beobachtet werden.

Die Einheitszelle des Typs I besteht aus 46 Wassermolekülen, zwei Typen von Käfigen - klein und groß bildend. Die kleinen Käfige in der Einheitszelle sind zwei gegen sechs große. Der kleine Käfig hat die Gestalt eines fünfeckigen Dodekaeders (5) und das große dieser eines tetradecahedron, spezifisch ein sechseckiger gestutzter trapezohedron (56), zusammen eine Struktur von Weaire-Phelan bildend. Typischer sich formender Gast-Typ ich Hydrat ist CO im Kohlendioxyd clathrate und CH im Methan clathrate.

Die Einheitszelle des Typs II besteht aus 136 Wassermolekülen, auch zwei Typen von Käfigen - klein und groß bildend. In diesem Fall sind die kleinen Käfige in der Einheitszelle sechzehn gegen acht große. Der kleine Käfig hat wieder die Gestalt eines fünfeckigen Dodekaeders (5), aber der große ist ein hexadecahedron (56). Hydrat des Typs II wird durch Benzin wie O und N gebildet.

Die Einheitszelle des Typs H besteht aus 34 Wassermolekülen, drei Typen von Käfigen - zwei kleine vom verschiedenen Typ und einem riesigem bildend. In diesem Fall besteht die Einheitszelle aus drei kleinen Käfigen des Typs 5, zwölf kleinen des Typs 456 und einem riesigem vom Typ 56. Die Bildung des Typs H verlangt, dass die Zusammenarbeit von zwei Gast-Benzin (groß und klein) stabil ist. Es ist die große Höhle, die Struktur H Hydrat erlaubt, große Moleküle (z.B Butan, Kohlenwasserstoffe) in Anbetracht der Anwesenheit anderen kleineren Hilfsbenzins einzufügen, um die restlichen Höhlen zu füllen und zu unterstützen. Struktur H Hydrat wurde angedeutet, im Golf Mexikos zu bestehen. Der Thermogenically-erzeugte Bedarf von schweren Kohlenwasserstoffen ist dort üblich.

Hydrat im Weltall

Iro u. a. als man versucht hat, den Stickstoff-Mangel in Kometen zu interpretieren, hat festgestellt, dass die meisten Bedingungen für die Hydrat-Bildung in den protoplanetary Nebelflecken, die Vorhaupt- und Hauptfolge-Sterne umgebend, trotz des schnellen Korn-Wachstums erfüllt wurden, um Skala zu messen. Der Schlüssel war, genug mikroskopische zu einer gasartigen Umgebung ausgestellte Eispartikeln zur Verfügung zu stellen. Beobachtungen des radiometric Kontinuums von circumstellar Scheiben um-Tauri und Sternen von Herbig Ae/Be deuten massive Staub-Platten an, die aus millimeter-großen Körnern bestehen, die nach mehreren Millionen Jahren (z.B,) verschwinden. Viel Arbeit am Ermitteln des Wassereises im Weltall wurde auf Infrared Space Observatory (ISO) getan. Zum Beispiel wurden breite Emissionsbänder des Wassereises an 43 und 60 μm in der Platte des isolierten Sterns von Herbig Ae/Be HD 100546 in Musca gefunden. Derjenige an 43 μm ist viel schwächer als derjenige an 60 μm, was das Wassereis bedeutet, wird in den Außenteilen der Platte bei Temperaturen unter 50 K gelegen. Es gibt auch eine andere breite Eiseigenschaft zwischen 87 und 90 μm, die demjenigen in NGC 6302 (der Wanze- oder Schmetterling-Nebelfleck in Scorpius) sehr ähnlich ist. Kristallenes Eis wurde auch in den proto-planetarischen Platten von ε-Eridani und dem isolierten Stern von Fe HD 142527 in Lupus entdeckt. 90 % des Eises in den Letzteren wurden kristallen bei der Temperatur ungefähr 50 K gefunden. HST hat demonstriert, dass relativ alte circumstellar Platten, als diejenige um den 5-million-jährigen B9.5Ve Herbig Ae/Be Stern HD 141569A, staubig sind. Li & Lunine hat Wassereis dort gefunden. Das Wissen des Eises besteht gewöhnlich an den Außenteilen der proto-planetarischen Nebelflecke, Hersant. hat eine Interpretation der flüchtigen Bereicherung vorgeschlagen, die in den vier riesigen Planeten des Sonnensystems in Bezug auf den Sonnenüberfluss beobachtet ist. Sie haben angenommen, dass der volatiles in der Form des Hydrats gefangen worden war und sich im planetesimals vereinigt hat, der in den Zufuhrzonen der protoplanet fliegt.

Kieffer u. a. (2006) weisen darauf hin, dass die Geysir-Tätigkeit im polaren Südgebiet von Mondenceladus des Saturns aus dem clathrate Hydrat entsteht, wo Kohlendioxyd, Methan und Stickstoff, wenn ausgestellt, zum Vakuum des Raums durch die "Tiger Streifen" in diesem Gebiet gefundenen Brüche veröffentlicht werden.

Wie man

glaubt, spielt Kohlendioxyd clathrate eine Hauptrolle in verschiedenen Prozessen auf Mars. Wasserstoff clathrate wird sich wahrscheinlich in Kondensationsnebelflecken für Gasriesen formen.

Hydrat auf der Erde

Erdgas-Hydrat

Natürlich auf dem Erdgashydrat kann auf dem seafloor, in Ozeanbodensätzen, in tiefen Seebodensätzen (z.B der See Baikalsee), sowie in den Permafrostboden-Gebieten gefunden werden. Der Betrag des in natürlichen Methan-Hydrat-Ablagerungen potenziell gefangenen Methans kann bedeutend sein (10 bis 10 Kubikmeter), der sie des Hauptinteresses als eine potenzielle Energiequelle macht. Die katastrophale Ausgabe des Methans von der Zergliederung solcher Ablagerungen kann zu einer globalen Klimaveränderung führen, weil CH effizienteres Treibhausgas ist sogar als CO (sieh Atmosphärisches Methan). Die schnelle Zergliederung solcher Ablagerungen wird als ein geohazard wegen seines Potenzials betrachtet, um Erdrutsche, Erdbeben und Tsunamis auszulösen. Jedoch enthält Erdgas-Hydrat nur Methan sondern auch anderes Kohlenwasserstoff-Benzin nicht, sowie Lufthydrat von HS and CO wird oft in Polareis-Proben beobachtet.

Pingos sind allgemeine Strukturen in Permafrostboden-Gebieten. Ähnliche Strukturen werden in tiefem mit der Methan-Leckage verbundenem Wasser gefunden.

Es ist wichtig zu bemerken, dass Gashydrat sogar ohne eine flüssige Phase gebildet werden kann. Unter dieser Situation wird Wasser in Benzin oder in der flüssigen Kohlenwasserstoff-Phase aufgelöst.

Gashydrat in Rohrleitungen

Thermodynamische Bedingungen, Hydrat-Bildung bevorzugend, werden häufig in Rohrleitungen gefunden. Das ist hoch unerwünscht, weil die clathrate Kristalle aufhäufen und den flowline zustopfen und Fluss-Versicherungsmisserfolg verursachen und Klappen und Instrumentierung beschädigen könnten. Die Ergebnisse können sich von der Fluss-Verminderung bis Ausrüstungsschaden erstrecken.

Hydrat-Bildung, Verhinderung und Milderungsphilosophie

Hydrat hat eine starke Tendenz, sich aufzuhäufen und an der Pfeife-Wand zu kleben und dadurch die Rohrleitung zuzustopfen. Einmal gebildet können sie zersetzt werden, indem sie die Temperatur vergrößern und/oder den Druck vermindern. Sogar unter diesen Bedingungen ist die clathrate Trennung ein langsamer Prozess.

Deshalb scheint das Verhindern der Hydrat-Bildung, der Schlüssel zum Problem zu sein. Eine Hydrat-Verhinderungsphilosophie konnte normalerweise auf drei Niveaus der Sicherheit basieren, die in der Größenordnung vom Vorrang verzeichnet ist:

1. Vermeiden Sie betriebliche Bedingungen, die Bildung des Hydrats durch das Niederdrücken der Hydrat-Bildungstemperatur das Verwenden des Glykol-Wasserentzugs verursachen könnten;
2. Ändern Sie provisorisch Betriebsbedingungen, um Hydrat-Bildung zu vermeiden;
3. Verhindern Sie Bildung des Hydrats durch die Hinzufügung von Chemikalien, dass (a) die Hydrat-Gleichgewicht-Bedingungen zu niedrigeren Temperaturen und höherem Druck oder (b) Zunahme-Hydrat-Bildungszeit (Hemmstoffe) auswechseln

Die wirkliche Philosophie würde von betrieblichen Verhältnissen wie Druck, Temperatur, Typ des Flusses (Benzin, Flüssigkeit, Anwesenheit von Wasser usw.) abhängen

Hydrat-Hemmstoffe

Wenn

es innerhalb von einer Reihe von Rahmen funktioniert, wo Hydrat gebildet werden konnte, gibt es noch Weisen, ihre Bildung zu vermeiden. Das Ändern der Gaszusammensetzung durch das Hinzufügen von Chemikalien kann die Hydrat-Bildungstemperatur senken und/oder ihre Bildung verzögern. Zwei Optionen bestehen allgemein:

• Thermodynamische Hemmstoffe
• Kinetischer inhibitors/anti-agglomerants

Die allgemeinsten thermodynamischen Hemmstoffe sind Methanol, Monoäthylen-Glykol (MEG) und diethylene Glykol (DEG), allgemein gekennzeichnet als Glykol. Alle können wieder erlangt und in Umlauf wiedergesetzt werden, aber die Volkswirtschaft der Methanol-Wiederherstellung ist in den meisten Fällen nicht geneigt. MEG wird über DEG für Anwendungen bevorzugt, wo, wie man erwartet, die Temperatur −10 °C ist oder wegen der hohen Viskosität bei niedrigen Temperaturen sinkt. Glykol von Triethylene (TEG) hat zu niedrigen Dampf-Druck, der als ein in einen Gasstrom eingespritzter Hemmstoff anzupassen ist. Mehr Methanol wird in der Gasphase wenn im Vergleich zu MEG oder DEG verloren.

Der Gebrauch von kinetischen Hemmstoffen und anti-agglomerants in wirklichen Feldoperationen ist eine neue und sich entwickelnde Technologie. Es verlangt umfassende Tests und Optimierung zum wirklichen System. Während kinetische Hemmstoff-Arbeit davon, die Kinetik des nucleation zu verlangsamen, anti-agglomerants den nucleation nicht aufhören, hören sie eher die von Gashydrat-Kristallen (zusammenklebende) Ansammlung auf. Diese zwei Arten von Hemmstoffen sind auch bekannt als Niedrige Dosierungshydrat-Hemmstoffe, weil sie viel kleinere Konzentrationen verlangen als die herkömmlichen thermodynamischen Hemmstoffe. Kinetische Hemmstoffe (die nicht verlangen, dass Wasser und Kohlenwasserstoff-Mischung wirksam ist) sind gewöhnlich Polymer oder Copolymerisate, und anti-agglomerants (verlangt Wasser, und Kohlenwasserstoff-Mischung) sind Polymer oder zwitterionic (gewöhnlich Ammonium und COOH) surfactants, vom Hydrat und Kohlenwasserstoffe sowohl angezogen werden.

Siehe auch

• Clathrate
• Sternbildung und Evolution

Pistole-Hypothese von Clathrate

Weiterführende Literatur

• Shuqiang Gao, Waylon House und Walter Chapman, "NMR/MRI Studie von Clathrate Hydrat-Mechanismen", J. Phys. Chem. B, 109 (41), 19090-19093, 2005.

http://gashydrate.fileave.com/NMR-MRI%20study%20of%20clathrate%20hydrate%20mechanisms.pdf

• Mohamed Iqbal Pallipurath, "TRENNUNG VON WASSERHALTIGEM SEEBODENSATZ", Öl- und Gasgeschäftszeitschrift, 2006

http://www.ogbus.ru/eng/authors/Iqbal/Iqbal_1.pdf

• N Sultan, P Cochonat, JP Foucher, J Mienert, Wirkung des Gashydrats, das auf seafloor schmilzt, neigen Instabilität - ifremer.fr [PDF], - Seegeologie, 2004 - Elsevier

http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0025322704002798

Links

• Gashydrat, vom Institut von Leibniz für Seewissenschaften, Kiel (IFM-GEOMAR)
• Das ZUCKER-Projekt (Unterseebootgashydrat-Reservoire), vom Institut von Leibniz für Seewissenschaften, Kiel (IFM-GEOMAR)
• Gashydrat im Video und - Hintergrundkenntnisse über das Gashydrat, ihre Verhinderung und die Eliminierung (durch den Hersteller von Hydrat-Autoklaven)