Predicting the Induction Time of Hydrate Formation on a Water Droplet

Prévision du temps d'induction de la formation d'hydrate sur la surface d'une goutte d'eau

Chemical and Petroleum Engineering Department, School of Engineering, Shiraz University - Iran

Corresponding authors: sarshar@shirazu.ac.ir esmaeil@shirazu.ac.ir fathi@shirazu.ac.ir

Abstract

Despite the importance of the induction time in hydrate formation studies, the scientists have not yet developed a generalized model due to its stochastic property. In this work, the induction time of hydrate formation of multicomponent gas mixtures on a water droplet has been modeled. Mass transfer through the droplet surface was modeled based on a diffusion equation where the rate of reaction was expressed based on the nucleation theory. Driving force for the hydrate formation was calculated based on the change in the Gibbs free energies of the gas, water and the hydrate. The model was validated by comparison of the predicted results with the experimental data from the literature. The induction time was calculated for hydrate formation from a mixture of 89.4% methane + 10.6% ethane on 1.5-7 mm in diameter of water droplets at 273.85 K and 3.6-5.1 MPa. It was found that, induction time is highly sensitive to the value of the driving force. Moreover, the induction times were not dependent on the size of the droplets and the induction time for the water droplets with hydrate memory was shorter than the droplets without hydrate memory.

Résumé

Malgré l'importance du temps d'induction dans les études sur la formation d'hydrates, les experts n'en ont pas encore développé un modèle généralisé à cause de leur propriété stochastique. Dans cet article, le temps d'induction de la formation d'hydrate sur une goutte d'eau a été simulé pour un mélange de plusieurs gaz. Un modèle basé sur l'équation de la diffusion, où le taux de réaction est considéré par la théorie de nucléation, est proposé pour le transfert de masse à travers la surface de la goutte. La force motrice de la formation d'hydrate a été calculée à partir de la variation d'énergies libres de Gibbs du gaz, de l'eau et de l'hydrate. Le modèle a été validé par la comparaison des résultats de la modélisation avec les données expérimentales extraites de la littérature. Le temps d'induction de la formation d'hydrate a été calculé pour un mélange de 89,4 % de méthane et 10,6 % d'éthane sur une goutte d'eau d'un diamètre de 1,5-7 mm à 273,85 K et 5,1 MPa. On a trouvé que le temps d'induction est fortement sensible à la valeur de la force motrice. De plus, les temps d'induction ne dépendent pas de la taille des gouttes et sont inférieurs pour une goutte d'eau avec mémoire d'hydrate, comparativement à une goutte d'eau sans mémoire d'hydrate.