ساختار هیدرات شبیه به یخ است با این تفاوت که کریستال هیدرات می‌تواند در دمای بالاتری نسبت به نقطه ذوب یخ، در شرایطی که فشار بالاتر از فشار محیط باشد پایدار بماند و ذوب نشود. از موارد دیگری که باعث شباهت بین کریستال هیدرات و یخ می‌شود افزایش حجم و آزاد شدن گرما به هنگام تشکیل می‌باشد.
تشکیل هیدرات ها
تشکیل هیدرات­ها نتیجۀ پیوند هیدروژنی است. پیوند هیدروژنی سبب می­ شود که مولکول­های آب در جهات منظم قرار گیرند. وجود ترکیبات خاصی موجب پایدار شدن مولکولهای منظم و رسوب مخلوط جامدی می­ شود. مولکول­های آب، مولکول­های میزبان نیز خوانده می­شوند و ترکیبات دیگری که کریستال را پایدار می­ کنند، مولکول­های مهمان نامیده می­شوند. در این پژوهش، مولکول­های مهمان در اغلب موارد به نام “تشکیل دهنده­ها^[۴]” خوانده می­شوند. کریستال­های هیدرات ساختارهای سه بعدی پیچیدهای دارند که در آن‌ مولکول­های آب به­ صورت قفس عمل می­ کند و مولکول­های مهمان در این قفس­ها به دام می­افتند.
پایداری ناشی از مولکول­های مهمان به وجود نیروهای واندروالسی^[۵] نسبت داده شده که به­ دلیل جاذبۀ بین مولکول­هاست نه جاذبۀ الکترواستاتیک. همان طور که پیشتر نیز شرح داده شد، پیوند هیدروژنی با نیروهای واندروالسی متفاوت است، زیرا پیوند هیدروژنی بر اساس جاذبه الکترواستاتیک قوی است، هر چند برخی، پیوند هیدروژنی را به عنوان نیروی واندروالسی طبقه بندی می­ کنند.
یکی دیگر از نکات جالب توجه در مورد هیدرات­های گاز این است که هیچ پیوندی بین مولکول‌های مهمان و میزبان وجود ندارد. مولکول­های مهمان آزادانه درون قفس­های ساخته شده به­وسیله‌ی مولکول­های میزبان می­چرخند. این چرخش از طریق ابزار طیف­سنجی اندازه گیری شده است. بنابراین این ترکیبات را می­توان به­ صورت محلول‌های جامد تعریف کرد.

شرایط تشکیل هیدرات
تشکیل هیدرات­ نیازمند سه شرط است:
۱- ترکیب مناسب دما و فشار دمای کم و فشار زیاد برای تشکیل هیدرات شرایط مطلوبی است؛
۲- وجود تشکیل­دهندۀ هیدرات: تشکیل­دهنده­های هیدرات عبارتند از: متان، اتان، پروپان، ایزوبوتان، سولفید هیدروژن و دی­اکسید­کربن؛
۳- آب کافی، نه بیش از حد و نه خیلی کم.
دمای کم و فشار زیاد شرایط مطلوبی برای تشکیل هیدرات است. دما و فشار دقیق، به ترکیب گاز بستگی دارد. هیدرات­ها در دمایی بیشتر از صفر درجۀ سلسیوس نقطۀ انجماد آب، شکل می‌گیرند.
برای جلوگیری از تشکیل هیدرات صرفاً باید یکی از سه شرط مذکور را از بین برد. به­ طور معمول نمی‌توان تشکیل­دهنده­های هیدرات را از مخلوط حذف کرد. در مورد گاز طبیعی، تشکیل­دهنده‌های هیدرات، محصولات مطلوبی هستند. بنابراین با از بین بردن دو شرط دیگر می­توان از تشکیل هیدرات جلوگیری کرد]۴-۶[.
فاکتورهای مؤثر در تشکیل هیدرات
سایر فاکتورهایی که بر روی تشکیل هیدرات اثر می‌گذارند عبارتند از:
میزان اختلاط (آشفتگی و تلاطم)، سنتیک، سطح تشکیل کریستال، مکان هسته زایی، میزان تجمع و شوری سیستم. این پدیده‌ها می‌تواند تشکیل هیدرات را افزایش دهد امّا برای فرایند تشکیل ضروری نیستند. این پدیده ­ها امکان تشکیل­ هیدرات را افزایش می­ دهند که عبارتند از]۷-۱۱[:
۱- تلاطم^[۶]
الف. سرعت زیاد
امکان تشکیل هیدرات در مناطقی که در آن‌ سرعت سیال زیاد است، بیشتر می­باشد. این مسئله موجب می­ شود که شیرهای اختناق^[۷](ماسوره) مستعد تشکیل هیدرات باشند. دلیل اول این است، هنگامی که گاز طبیعی از ماسوره عبور می­ کند، به علت اثر ژول- تامسون^[۸] افت دمای چشمگیری اتفاق می­افتد و دلیل دوم سرعت زیاد در این شیر است.
ب. اختلاط^[۹]
اختلاط در خط لوله، مخازن فرآوری^[۱۰]، مبدل­های حرارتی^[۱۱] و… احتمال تشکیل‌هیدرات را افزایش می‌دهد.
۲- مکان­های هسته­زایی^[۱۲]
به­ طور کلی، مکان هسته­زایی جایی است که در آن‌ تغییر فاز اتفاق می­افتد و در این مورد فاز سیال به جامد تبدیل می­ شود. برای مثال در رستوران­های تهیۀ غذای آماده برای درست کردن سیب‌زمینی سرخ کرده از ماهی­تابۀ گود استفاده می­ شود. در این ماهی­تابه، روغن بسیار داغ است امّا حباب جوشی وجود ندارد، زیرا هیچ مکان مناسبی برای هسته­زایی نیست. با این حال، هنگامی که سیب­زمینی­ها را در روغن قرار می‌دهند، بی­درنگ به جوش می ­آید، زیرا سیب زمینی سرخ کرده مکان بسیار مناسبی را برای هسته­زایی فراهم می­ کند. مکان­های هسته­زایی برای تشکیل هیدرات عباراتند از:
نقص­های موجود در خط لوله، نقاط جوش^[۱۳]، اتصالات خط لوله (زانویی، سه­راهی، شیرها و غیره). گل و لای، جرم، خاک و شن و ماسه نیز مکان­های مناسبی برای هسته­زایی فراهم می­ کنند.
۳- آب آزاد^[۱۴]
ممکن است این سوال مطرح شود که آیا برای تشکیل هیدرات وجود آب آزاد الزامی است؟ خیر، این گفته با اظهارات قبلی متناقض نیست. آب آزاد برای تشکیل هیدرات الزامی نیست، امّا وجود آب بی­شک احتمال تشکیل هیدرات را افزایش می­دهد. علاوه ­بر­این سطح تماس آب و گاز محل هسته­زایی بسیار خوبی برای تشکیل هیدرات گازی است.
موارد بالا تنها احتمال تشکیل هیدرات را افزایش می­برد و شرط لازم برای تشکیل آن‌ نیست. سه شرطی که پیشتر به آن‌ اشاره شد، شروط لازم برای تشکیل هیدرات است. یکی دیگر از جنبه­ های مهم تشکیل هیدرات، تجمع جامدات است. هیدرات­های گازی لزوماً در همان نقطه­ای تشکیل می­شوند، منعقد نمی‌شوند. در خط لوله هیدرات می ­تواند همراه با فاز سیال به­ ویژه مایع جریان داشته باشد و تمایل دارد در همان جایی که مایع تجمع می­یابد، منعقد شود. به­ طور معمول انعقاد هیدرات مشکل ایجاد می­ کند. در خط لولۀ چندفازی، این تجمعات خط لوله را می­بندد و به تجهیزات آسیب می­رساند.
اغلب اوقات توپک­رانی^[۱۵] برای حذف هیدرات از خط لوله کافی است. توپک­رانی، فرآیندی است که طی آن‌ ابزاری به نام توپک را وارد خط لوله می­ کنند. توپک­های مدرن کاربردهای فراوانی دارند، امّا مهمترین وظیفۀ آنها، تمیز کردن خط لوله است. نوعی از توپک­ها، داخل خط لوله را می­خراشد و باز طریق جریان سیال در لوله حرکت می­ کند و بدین صورت هر جامدی را از درون خط لوله جا­به­جا می­ کند (هیدرات، موم^[۱۶]، لجن و غیره). توپک­رانی برای حذف پس­مانده­های مایعات^[۱۷] نیز به­کار می­رود]۱۲[.
توپک­رانی باید طوری برنامه­ ریزی شود که تجمع هیدرات­ها مشکل­ساز نشود. به­ طور معمول توپک‌رانی برای تمیز کردن هیدرات در خط لوله استفاده نمی­ شود. از مزایای دیگر توپک­رانی، حذف نمک و رسوبات است که این کار برای عملکرد مناسب خط لوله ضروری است. این امر به معنای آن‌ است که مکان­های مناسب برای تشکیل هسته­های هیدرات از بین می­روند.
آب و گاز طبیعی
آب اغلب همراه گاز طبیعی است و در مخازن همواره آب وجود دارد. بنابراین گاز طبیعی تولیدی همیشه اشباع از آب است. علاوه بر این آب سازند نیز گاهی همراه با گاز تولید می­ شود. همچنان که دما و فشار طی تولید گاز تغییر می­ کند، آب مایع نیز معیان می­ شود. به­علاوه آب اغلب در فرآیندهای گاز طبیعی وجود دارد. در فرایند شیرین­سازی گاز طبیعی (برای مثال برای حذف سولفید هیدروژن و دی­اکسید­کربن، به اصطلاح “گازهای اسیدی^[۱۸]” اغلب از محلول­های آبی استفاده می­ شود. مرسوم­ترین این فرآیندها شامل محلول آبی آلکانول­آمین است. به همین دلیل، گاز شیرین (محصول فرایند شیرین­سازی) این فرآیندها نیز، اشباع از آب است.
فرآیندهای مختلفی برای حذف آب از گاز طبیعی طراحی شده ­اند که در فصل سوم بررسی خواهند شد. همراهی آب و گاز طبیعی به این معناست که در تمامی مراحل تولید و فرآوری گاز طبیعی احتمال تشکیل هیدرات وجود دارد. بخش زیادی از این پژوهش به پیش ­بینی شرایط تشکیل هیدرات اختصاص دارد. با این دانش، مهندسان شاغل در صنعت گاز طبیعی خواهند دانست که آیا هیدرات در برنامۀ آنها مشکل­ساز خواهد بود یا نه؟ پس از آنکه مشخص شد هیدرات برای ما مشکل ایجاد می­ کند یا حتی یک مشکل بالفعل است، چه می‌توان کرد؟ یکی دیگر از بخش­های این پژوهش به این موضوع می ­پردازد.
آب آزاد
افسانه­ای در صنعت گاز طبیعی وجود دارد که می­گوید وجود “آب آزاد” (برای مثال یک فاز آبی^[۱۹]) برای تشکیل هیدرات ضروری است. در بخش­های بعدی نشان داده خواهد شد که این عقیده درست نیست. بی‌شک آب آزاد احتمال تشکیل هیدرات را افزایش می­دهد، ولی وجود آن‌ ضروری نیست. استدلال قوی برای نشان دادن اینکه آب آزاد برای تشکیل هیدرات ضروری نیست، در فصل چهارم روی نمودارهای فازی آوردی شده است.
یکی دیگر از موضوعات مورد توجه، اصطلاح “برفک^[۲۰]” است که سؤال ساده­ای را مطرح می­ کند: آیا وجود آب آزاد برای تشکیل یخ ضروری است؟ پاسخ منفی است. برفک­ها بدون وجود آب مایع نیز شکل می­گیرند. برفک از هوا روی اتومبیل در شب­های زمستانی تصعید می­ شود. به­ طور مستقیم از هوا به فاز جامد می­رود، بدون آنکه مایعی تشکیل شود. مخلوط هوا/آب یک گاز است، آب به­ صورت مایع در هوا وجود ندارد. اگر یک فریزر قدیمی را در نظر بگیریم (فریزری که بدون برفک نیست) با نگاه کردن به داخل آن‌ می­توان مشاهده کرد که لایه­ای از برفک در آن‌ شکل گرفته است، بدون آنکه آب مایعی تشکیل شده باشد. هیدرات­ها از طریق این سازوکار می­توانند ایجاد شوند.
یکی از دلایلی که چرا اعتقاد بر این است که آب آزاد برای تشکیل هیدرات ضروری است، این است که هیدرات شکل­گرفته بدون آب آزاد، مشکل­ساز نیست. داخل لوله ممکن است با برفک­های هیدرات پوشیده شود، امّا همچنان به­خوبی کار کند. یا مقدار هیدرات ممکن است کم باشد و در نتیجه خط لوله بسته نشود و به تجهیزات فرآوری نیز آسیبی وارد نشود. این هیدرات­های برفکی را می­توان به آسانی با فرایند توپک­رانی تمیز کرد.
فرایند تبدیل مستقیم جامد به گاز، تصعید نامیده می­ شود. برای مثال، دی­اکسید­کربن در فشار اتمسفری تصعید می­ شود. CO₂ جامد، که به­ طور معمول یخ خشک نامیده می­ شود، به­ طور مستقیم از فاز جامد بدون تشکیل مایع به فاز بخار می­رود. در این فشار اتمسفری CO₂ در دمای ۷۸- درجۀ سلسیوس (۱۰۸- درجۀ فارنهایت) از جامد به بخار تبدیل می­ شود. مثال دیگری از جامداتی که در فشار اتمسفری تصعید می­شوند، نفتالین است که مهم­ترین جزء گلوله­های ضدبید محسوب می­ شود. دلیل اینکه گلوله­های ضدبید از خود بو متصاعد می­ کنند، این است که نفتالین به­ طور مستقیم از فاز جامد به فاز بخار می­رود. در واقع همۀ مواد خالص از جمله آب خالص در فشارهای زیر فشار نقطۀ سه­گانۀ خود تصعید می­شوند. بنابراین جای تعجب نیست که هیدرات در شرایط مناسب می ­تواند به­ طور مستقیم از فاز گاز به فاز جامد برود.
بیان مساله پژوهش
متان کلاترات^[۲۱] که با نام­ هیدرات متانی و یخ متان نیز شناخته می­ شود، ترکیبی است که در آن‌ مقدار زیادی متان در داخل یک ساختار بلوری آب محبوس شده و ساختاری جامد تشکیل می­دهد. ابتدا تصور می­شد که هیدرات فقط در خارج از منظومه شمسی که دما بسیار پایین است تشکیل می­ شود ولی با پیشرفت علم کشف شد که مخازن وسیعی از آن‌ در کف اقیانوس­ها موجود است.
هیدرات­ها می­توانند در طول عملیات تولید گاز طبیعی نیز تشکیل شوند. این امر زمانی روی می­دهد که آب مایع در حضور متان در فشار بالا متراکم شود. مشخص شده است که مولکول‌های بزرگتر مانند اتان و پروپان نیز می‌توانند هیدرات تشکیل دهند. در چند دهه اخیر هیدرات­ گازی به‌عنوان یک معضل درخطوط انتقال گاز مطرح بوده و جهت جلوگیری از تشکیل آن‌ از تزریق مواد بازدارنده به خطوط لوله استفاده شده است. از سوی دیگر مواد تزریقی مشکلات دیگری مانند جداسازی ثانویه و یا مسموم کردن مواد ایجاد می‌کنند که اگر بدون بررسی دقیق شرایط به خط تزریق شوند می­توانند بجای کاهش هزینه­ها موجب افزایش آن‌ گردند.
هیدرات­ها پس از تشکیل می­توانند خط لوله و تجهیزات پردازش را مسدود نموده و خساراتی ایجاد کنند. در این مرحله هیدرات­ها با صرف هزینه و وقت و اعمال روش­هایی چون کاهش فشار، گرم­کردن و حل به­ کمک مواد شیمیایی مانند متانول، الکل‌ها و گلایکول قابل حذف می­باشند امّا مراقبت و کنترل دقیقی برای اطمینان از حذف هیدرات لازم است. بهترین راه برای جلوگیری از ایجاد خسارات هیدرات­ها در خطوط انتقال گاز، جلوگیری از رسیدن به شرایط مناسب فیزیکی برای تشکیل آن‌ است که این امر نیازمند شناخت کامل و پیش بینی به موقع تشکیل هیدرات در خطوط انتقال است که در این پژوهش با بهره گرفتن از نرم افزار کامسول انجام می­ شود.
در این پژوهش شرایط خط لوله فرضی مورد مطالعه معلوم هستند. همچنین شرایط محیطی مختلف نیز به‌عنوان ورودی معلوم به نرم افزار وارد می­شوند و شرایط و خواص فیزیکی گاز در حال انتقال نیز جزء متغییرهای معلوم به حساب می­آیند. احتمال تشکیل‌هیدرات در خط لوله به‌عنوان مجهول بدست خواهد آمد.
شکل ‏۱‑۱ : شماتیکی از تشکیل هیدرات در جداره لوله
ضرورت و اهمیت انجام پژوهش
تشکیل هیدرات در خطوط لوله گاز یکی از مشکلات بزرگ میعانات گازی و مشکلات عملیاتی طراحی خطوط لوله انتقال جریان‌ها بخصوص جریان‌های دو فازی فراروی کارکنان عملیات بهره‌برداری و مهندسین اداره بهره برداری است که هر ساله هزینه‌های بسیاری را به خود اختصاص میدهد. هزینه‌های ناشی از ایجاد خوردگی تأسیسات، انجام عملیات توپک‌رانی در خطوط لوله و… همگی به واسطه مشکل تولید هیدرات گازی در خطوط لوله است که باید با مدیریتی صحیح در راستای حل این مشکل گامی اساسی برداشته شود.
هیدرات‌ها تمایل زیادی برای متراکم شدن و چسبیدن به دیواره لوله و در نتیجه مسدود نمودن خط لوله دارند. درصورت تشکیل هیدرات، برای جدایش و تجزیه آن‌ درجه حرارت بالاتر و یا فشار پایین تر مورد نیاز است. حتی در این شرایط نیز فرایند جدا کردن هیدرات‌ها، فرآیندی آهسته است. بنابراین کلید مسأله، جلوگیری از تشکیل هیدرات باشد.
تشکیل هیدرات افت فشار را افزایش داده و باعث انسداد و نهایتاً انفجار خط لوله انتقال جریان می‌شود. وجود آب و میعانات گازی در خطوط لوله جمع آوری و انتقال گاز طبیعی(به صورت جریان‌های دوفازی)، باعث پیدایش مشکلات زیر می‌گردد:
الف) تشکیل‌هیدرات‌گاز طبیعی در خط لوله جریانی و در نتیجه کاهش بازده و ایمنی خط لوله انتقال جریان
ب) تجمع مایعات در خطوط لوله انتقال جریان و در نتیجه کاهش بازده انتقال جریان