الهيدرات Hydrates وهي أشبه بالثلج الوسخ ، حيث تتكون من مزيج من الماء مع بعض جزيئات الهيدروكاربونات الخفيفة (غالباً ما تكون الميثان والأيثان وثاني أوكسيد الكاربون) وهي بلورات غير محكمة وتسمى هذه المادة الكيمياوية (cathrates) .
ويجب توافر ثلاثة شروط لتكون الهيدرات:
1. درجة الحرارة والضغط المناسبين ، حيث أنه يتكون في درجات الحرارة الواطئة + الضغوط العالية. حيث إن أنخفاض درجة حرارة الغاز الى أقل من درجة الندى Dew Point فأن هذا يؤدي الى تكون (الماء الحر). أن درجة الحرارة المُثلى لتكوين الهيدرات تعتمد على مكونات الغاز.
2. يجب توافر 3 مواد أساسية لتكوين الهيدرات وهي (الميثان – الأيثان – ثاني أوكسيد الكاربون).
3. توافر كمية كافية من الماء.
بالأضافة الى أن وجود بعض الظواهر يزيد من أحتمالات تكونها وهي:
1. أضطراب الجريان : ويكون ذلك لسببين:
أ. السرعة العالية ، مما يجعل الصمامات الخانقة Choke Valves المكان الأمثل لتكون الهيدرات وذلك بسبب الفرق في درجة الحرارة خلال الصمام Temp. Drop بسبب قانون (جول – ثومبسون) ، بالأضافة الى السرعة العالية التي يسببها تضيق الصمام.
ب. المزج أو الخلط Agitation : حيث أن المزج خلال الأوعية أو المبادلات الحرارية يعزّز تكون الهيدرات.
يتعزز تكون الهيدرات في الأماكن التي يحدث فيها تكون للطور الصلب أو الطور السائل ، ويحصل هذا الأمر في الأنابيب مثل نقاط اللحام أو بعض الملحقات مثل ( الأنحناءات – حرف T في الأنابيب – الصمامات ) أو وجود الأوساخ ، الصدأ .
- وجود الماء الحر Free Water : أن وجود الماء الحر في الغاز الطبيعي يعزّز تكون الهيدرات كما أن الحد الفاصل بين الماء والغاز يكون أمراً مساعداً الى حد كبير في تكونها.
أن من الأمور المهمة الأخرى هو وجود المواد الصلبة حيث أن الهيدرات تتنقل في الأنبوب بواسطة الطور السائل وتميل الى التجمع في نفس الأماكن التي يتجمع فيها السائل ، وتكمن المشكلة في الأماكن التي تتجمع فيها الهيدرات ، وخاصة في الأنابيب التي يحصل فيها جريان متعدد الأطوار Multiphase flow حيث أن تجمع الهيدرات يؤدي الى حدوث أنسدادات في الأنبوب.
أن أستعمال القشط Pigging لأنابيب الغاز الطبيعي يعتبر طريقة مناسبة لإزالة الهيدرات من الأنابيب ، ويمكن إجراء عملية القشط من خلال أدخال أداة تسمى القاشطة Pig الى الأنبوب ، وتتضمن القاشطات الحديثة عدة تقنيات ولكن أهمها بالتأكيد هو تنظيف الأنبوب ، ويجب أن تكون بنفس قطر الأنبوب ويتم دفعها وتسييرها بضغط الغاز وتقوم بإزالة كل المواد الصلبة منه مثل (الهيدرات – الشمع – الأوساخ .. ألخ) بالأضافة الى دفع السوائل من المناطق التي تتجمع فيها.
ويمكن تصنيف الهيدرات تبعاً لترتيب جزيئات الماء في البلورة وبالتالي تركيب البلورة. وهذا المصطلح يشير الى المركبات التي تكون بهيئة مستقرة لكنها لاتنتج عن أتحاد كيمياوي صحيح لكل الجزيئات. وتتكون الهيدرات عادةً عند تبريد الغاز الى أقل من درجة تكون الهيدرات. وفي الضغوط العالية تتكون هذه الهيدرات في درجات حرارة أعلى من 32 ̊ F .
وهناك 3 أنواع من الهيدرات في الصناعة النفطية: النوع الأول Type I، والنوع الثاني Type II ، والنوع الثالث Type H والجدول التالي يبين الفرق بين هذه الأنواع:
| Type H | Type II | Type I | |
| 34 | 136 | 46 | Water Molecules per Unit Cell |
| Cages per Unit Cell | |||
| 3 | 16 | 6 | Small |
| 2 | – | – | Medium |
| 1 | 8 | 2 | Large |
| 0.15 | 0.15 | 0.1481 | All Cages Filled Mole fraction hydrate former |
| – | 0.0556 | 0.1154 | Only Large Cages Filled Mole fraction hydrate former |
| Cavity Diameter | |||
| 7.8 | 7.8 | 7.9 | Small |
| 8.1 | – | – | medium |
| 11.2 | 9.5 | 8.6 | Large |
| 5.178 x 10 -27 | 1.728 x 10 -27 | Volume of Unit Cell (m3) | |
| see text | N2,C3H8 i-C4H10 |
CH4,C2H6 H2S, CO2 |
Typical Formers |
أن تكوّن الهيدرات أمر غير مرغوب فيه لأن هذه البلورات قد تسبب حدوث أنسداد في أنابيب الجريان flowlines ، الصمامات وبالذات الصمامات الخانقة chokes ، بالإضافة الى صمامات السيطرة مما يقلل سعة الأنابيب أو يسبب تضررها وذلك بسبب فرق الضغط العالي والـ orifices الصغيرة حيث أن هذا الفرق يؤدي الى تقليل درجة الحرارة مما يجعلها عرضة لتكون الهيدرات والانسداد. وعادةً ما يؤدي هذا الأمر الى حدوث الأنجماد FREEZING مما يقلل الى تقليل التدفق خلالها.
ومع تقليل الضغط ، تزيد درجة الحرارة التي تتكون فيها الهيدرات ، وفي حالة عدم وجود ماء حر فهذا يعني عدم تكون الهيدرات ، كما توجد بعض العوامل الثانوية التي تساعد على تكون الهيدرات مثل : سرع الغاز العالية ، أي نوع من المزج.
أن أكثر الطرق شيوعاً لمنع تكون الهيدرات هي التسخين وذلك لضمان عدم هبوط درجة الحرارة الى الحد الذي تتكون فيه الهيدرات ، أو تجفيف الغاز وذلك لعدم فسح المجال لبخار الماء بالتكاثف الى الماء الحر.
أنخفاض درجة الحرارة بسبب تمدد الغاز
أن الخنق throttling أو تمدد الغاز من ضغط عال الى ضغط واطئ أمر مطلوب للسيطرة على تدفق الغاز ، والخنق يحصل بسبب الصمامات الخانقة أو صمامات السيطرة ، ان فرق الضغط يؤدي يسبب أنخفاض درجة الحرارة مما يؤدي الى تكون الهيدرات في هذه الصمامات.
أن أهم أنواع الإضافات الكيمياوية لمنع تكون الهيدرات هو الميثانول , وهو رخيص نسبياً ، يذوب في الهيدروكاربونات ، وفي حالة وجود مكثفات Condensate يتوجب إضافة المزيد من الميثانول لأن قسم منه سيذوب في المكثفات ، كما أن قسماً آخر منه سيتبخر الى الحالة الغازية. كما أن (الأثيلين كلايكول EG) هو الآخر شائع الأستخدام في هذه الحالة ، لأنه أقل ذوبانية في الهيدروكاربونات وأقل تبخراً من الميثانول.
كيفية تجنب تكوّن الهيدرات :
يجب أزالة أحد عوامل تكون الهيدرات المذكورة أعلاه ، وبشكل عام لا يمكن إزالة أحد العوامل المكوّنة للهيدرات (الميثان والأيثان وثاني أوكسيد الكاربون) حيث أنها من المواد المرغوبة في الغاز الطبيعي لذلك يجب علينا محاولة إزالة العاملين الآخرين.
معالجة الهيدرات:
يمكن أستخدام وحدات Low Temperature Exchange LTX والتي تؤدي الى ذوبان الهيدرات بسبب الحرارة العالية لأنها (الهيدرات) تفضل درجات الحرارة الواطئة)
ولهذه العملية فوائد أخرى مثل تثبيت المكثفات وبعض المركبات الهيدروكاربونية الوسطية أكثر مما يحصل في عمليات العزل الأعتيادية.
وعادة ً ما تستعمل المسخنات غير المباشرة indirect Fired Heaters (وهي الأكثر شيوعاً) التي تقوم بتسخين وسط ثالث يقوم بدوره بتسخين خط جريان الغاز قبل و/أو بعد الصمام الخانق لأبقاء الغاز فوق هذه درجة تكون الهيدرات. كما توجد العديد من المعدات الأخرى المبادل الحراري نوع shell & Tube أو المسخنات الكهربائية المغمورة ، المسخنات .. ألخ.
يمكن الحفاظ على حرارة الأنبوب من خلال أستعمال السلك الحراري الكهربائي heat Trace الذي يغلف الأنبوب ويتم بواسطته تسخينه مما يحافظ على درجة حرارة الموائع الموجودة فيه ويمنع تكون الهيدرات بسبب الحفاظ على درجة الحرارة فوق درجة تكون الهيدرات ، ويفضّل استخدامه في الصمامات لأنها نقاط تضيق كما ذكرنا.
يمكن أستخدام تغليف الأنابيب Pipe Insulation كطريقة أخرى للحيلولة دون أنخفاض درجة حرارة الموائع وتكون الهيدرات.
كما يمكن أستخدام بعض المواد السائلة لمعالجة الهيدرات أو تقليل تأثيرها ، وهذه المواد تؤدي الى تقليل درجة الأنجماد أو تحريك توازن الهيدرات مقابل قيم الحرارة المنخفضة وهذه المواد هي:
– أثيل الكحول.
– الميثانول.
– داي أثيلين كلايكول DEG.
علماً ان الميثانول يسبب بعض المشاكل مثل : تركّزه في الغاز السائل LPG – اذابته للمواد مانعة التآكل Corrosion Inhibitors التي تستعمل في الانابيب والمنظومات. ويتراوح معدل حقن الميثانول من 0.15 – 1.5 م3/يوم . بالأضافة الى العديد من المواد الكيمياوية لوقف تآكل المعدات ، ولكنها في الغالب لتقليل تأثير هذه المشكلة.
