10.3. Условия образования гидратов

Содержание в газе паров воды в капельном состоянии приводит к неприятным последствиям при сборе и транспортировании этого газа. При контакте газа, имеющего высокое давление, с водным конденсатом образуются гидраты, которые, отлагаясь на стенках газопровода, уменьшают его пропускную способность, а в некоторых случаях приводят к полному прекращению подачи газа.

Гидраты природных газов образуются только при наличии в этих газах паров воды.

Пары воды могут насыщать газ до определенного давления, равного давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Это предельное содержание водяных паров при данной температуре называется точкой росы. Если содержание водяных паров превышает этот предел, то начинается их конденсация, то есть переход в жидкое состояние.

Принято различать абсолютную и относительную влажность газа. Под абсолютной влажностью понимают массовое количество водяных паров, содержащихся в 1 м³газа при нормальных условиях. Массовое количество водяного пара в газе выражается в г/м³или в кг на 1000 м³газа. Под относительной влажностью понимается отношение фактически содержащегося в газе водяного пара к максимально возможному при данных температуре и давлении.

Газовые гидраты представляют собой кристаллические соединения, образуемые ассоциированными молекулами углеводородов и воды. Они внешне напоминают снег или лед.

По структуре газовые гидраты – это клатраты, которые образуются при внедрении молекул газа в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды.

Различают два типа кристаллической решетки гидратов: структура 1 построена из 46 молекул воды и имеет 8 полостей; структура 2 построена из 136 молекул воды, имеет 16 малых и 8 больших полостей.

Метан, этан, двуокись углерода образуют гидраты первой структуры. При этом идеальная формула гидрата будет 8М46 Н₂О (М – молекула гидратообразователя ).

Метан образует гидрат, имеющий формулу СН₄6Н₂О. Массовое содержание метана в составе гидрата составляет 12,9 %. Для связывания 1 кг метана в гидрат, соответствующий указанной формуле, требуется 6,75 кг воды. При добыче и обработке газов образуются смешанные типы гидратов. Установлено, что пропан и изобутан наиболее склонны к гидратообразованию.

Для образования гидратов необходимы наличие капельной воды и определенный термодинамический режим в системе. Наличие воды в жидкой фазе хотя и является обязательным условием, но недостаточно для образования гидратов. Образование гидратов происходит при определенных температурах и давлениях и зависит от состава газа. Для предупреждения гидратообразования необходимо снизить давление газа или повысить его температуру.

При снижении давления влагоемкость газа повышается, и он становится недонасыщенным при заданной температуре. Поэтому не происходит конденсации водяных паров и выпадения капельной влаги.

Ликвидация гидратов снижением давления связана с выбросом газа в атмосферу или снижением пропускной способности газопровода. Поэтому применение этого способа ограничено. Его нельзя использовать при температурах ниже 0 °С, так как вода, образовавшаяся в результате разложения гидратов, может замерзать и образовывать ледяные пробки.

Разложение гидратов подогревом системы применяют для обеспечения работы дроссельных устройств, теплообменников и коротких участков газопроводов.

Наиболее распространенный способ ликвидации гидратных пробок – это подача в систему соответствующих ингибиторов. Пары ингибитора насыщают газовую фазу и снижают парциальное давление паров воды над гидратом, что приводит к его разрушению.