间歇流下二氧化碳水合物生成形态与堵塞机理

为明确二氧化碳水合物在间歇流条件下的生成形态与堵塞机理,采用高压可视实验环路进行了气团流及段塞流体系下的二氧化碳水合物的生成实验,分析了气团流与段塞流下二氧化碳水合物生成及堵塞形态图像。结果表明：气团流下水合物主要生成位置为管道顶部,以持续增长的水合物层的形式逐步减小环路流通面积,最终导致堵塞;段塞流下水合物在液相及管道顶部均有大量生成,但受制于大流量的冲刷,顶部水合物层无法长期存在,破碎落入液相主体中,导致液相主体黏度上升,流动阻力增大,流速下降,进而为液相中絮状水合物的并聚成块提供条件,液相中水合物的不断聚集是段塞流下水合物堵管的主要原因。此外,段塞流下生成的中空水合物球体是一种特殊的水合物形态,这类水合物多形成于液塞区与液膜区交界处。由于其内包裹着气体,故而会浮于液相空间上部,也会受扰动而破碎成片状水合物,但都无法在顶部空间聚集紧实形成致密水合层。     

纯水体系二氧化碳水合物浆液流动特性的研究

为研究纯水体系下二氧化碳水合物浆液流动的特性,在高压环路中进行水合物的生成实验.分析二氧化碳水合物在气泡流、段塞流条件下的堵塞过程及机理;在环路堵塞后仍保持水浴降温,分析了堵塞后水合物的温度及生成速率的变化.结果表明:气泡流生成水合物的位置主要在管道顶部,以小气泡为核生长出的水合物层拦截液相中的絮状水合物逐步降低流通面...     

大输量多相混输管路气液两相流实验研究

为了研究大输量条件下多相混输管路的流动特性,以水和空气为实验介质,在长江大学多相流实验平台上进行了水平状态的高气液量两相流模拟实验研究。实验采用内径为60 mm、长9.4 m的透明有机玻璃管,并利用高速摄像仪记录实验过程中的流型。通过对实验流型进行整理,将水平管内的气液两相流流型划分为分层流、泡状流、段塞流和环状流,并与典型的Mandhane流型图进行对比分析。另外,对实验范围内的几种典型流型下的压降梯度变化规律进行了研究,泡状流区域压降梯度随气流速的增大而减小,段塞流区域压降梯度随气流速的增大而缓慢增大,环状流区域压降梯度随气流速的增加而继续增大。     

全可视化反应釜内二氧化碳水合物的生成分解特征

二氧化碳水合物封存技术已成为目前碳封存研究的热点。该技术中对于二氧化碳水合物的生成分解特征及其影响因素的研究是当前的重点和难点。本文设计了高压全透明双反应釜实验平台,以高纯度二氧化碳和去离子水作为研究对象,在17℃、7MPa的初始温压条件下,进行了二氧化碳水合物的初次和二次生成分解实验,并设置对照组对搅拌的影响进行了研究,而后与甲烷在相同条件下的实验进行对比。实验结果表明,搅拌会促进二氧化碳水合物的生成,在400r/min的转速条件下,缩短诱导时间可达40%,增大压降速率可达15%,形成更多且更致密厚实的水合物,并延缓了分解;多次生成可以减少水合物的诱导时间,但对于水合物生成的总量几乎没有影响。与甲烷水合物相比,二氧化碳水合物生成的量大且更难以分解,实验结果有利于二氧化碳的海洋水合物封存技术的开发应用。     

蜡晶析出对CO2水合物相平衡及诱导特性的影响

为了探明蜡晶析出对水合物生成相平衡特性及成核特性的影响,本文选用2^#工业白油与60^#昆仑石蜡的混合溶液来模拟含蜡体系,利用高压可视化搅拌釜开展含蜡体系水合物生成实验,结合水合物生成过程中的可视化图像,研究不同蜡晶浓度对水合物生成相平衡曲线、水合物成核诱导时间、诱导时间变化率的影响规律及蜡晶析出对水合物生成机理的影响。结果表明：①随着蜡晶浓度的增加,水合物生成相平衡条件逐渐降低,相平衡曲线较无蜡体系向右偏移,且蜡晶浓度越大,偏移趋势越明显,在温度281.5K时,3.5%（质量分数）的蜡含量比无蜡体系的相平衡压力降低6.5%;②通过分析不同蜡晶浓度对水合物成核诱导时间的影响发现,蜡晶析出加快了水合物结晶,缩短了水合物成核诱导时间,且蜡晶浓度越大,诱导时间缩短越明显;③通过探究不同蜡晶浓度对水合物成核诱导能力的影响发现,随着蜡晶浓度的增加,蜡晶析出对水合物诱导成核的促进能力总体呈现先增大后减小的趋势,即蜡晶对水合物的促进能力不是无限增大的,会随蜡晶浓度的增加逐渐减弱;④通过分析蜡晶析出对水合物生成速率及生成位置的影响发现,当体系达到水合物生成条件时,反应釜中心部分的水合物会先于气液表面及釜壁生成。本文研究成果有助于深海油气开采的应用发展,同时为更好研究蜡晶与水合物耦合特性提供可靠的pVT数据。     

小通道内TBAB溶液水合物生成实验研究

小通道内TBAB(四丁基溴化铵)水合物晶体微观生成过程研究对水合物浆体安全流动和堵塞机理研究具有参考意义。文中选用内径为3 mm的石英管作为测试管道,利用工业显微镜对在小管道中形成的水合物晶体进行观察和记录,分析了在同一过冷度下(Δt=17℃)质量分数和流量对TBAB水合物形貌、生长速率及堵塞时间的影响。结果表明:在过冷度相同时水合物形貌主要受溶液质量分数影响,水合物晶体的致密度和透光度随质量分数的增加而增大;质量分数增加到25%后,质量分数的增加对水合物生长速率不再有明显的促进作用;受管径限制,径向方向水合物生长速率会先降低再趋于平稳;流动时所产生的剪切力使得水合物晶核剥落形成新的成核点,流量的增加大大缩短了水合物成核时间和堵塞时间。     

螺旋内槽管内天然气-水-表面活性剂体系的水合物生成动力学计算

针对多组分气体（天然气）-水-表面活性剂体系在螺旋内槽管内的水合物生成过程,首先采用CFD方法结合群体平衡模型（PBM）,基于溶质渗透模型和Kolmogorov各向同性湍流理论对螺旋内槽管内气液传质系数进行了模拟;其次基于Kashchiev和Firoozabadi的经典水合物成核和生长理论,将其体系从单组分-水系统扩展到多组分气体（天然气-水-十二烷基硫酸钠）系统,同时结合经典结晶理论利用传质系数对水合物生长模型进行了修正,建立了适用于螺旋内槽管流动体系内天然气水合物生成动力学模型。通过模拟计算,获得不同水合物生产条件下天然气在水中的平均传质系数;进而利用Microsoft Visual C++编程计算得到不同条件下水合物生成动力学数据,在考察范围内,天然气水合物的成核速率随着反应体系有效表面能的增大而锐减,而水合物生成驱动力和生长速率未受影响,同时水合物生长速率随着流速和反应压力的增大及温度的降低而增大,成核速率随着压力的增大和温度的降低而增大。     

螺旋内槽管内天然气-水-表面活性剂体系的水合物生成动力学计算

针对多组分气体(天然气)-水-表面活性剂体系在螺旋内槽管内的水合物生成过程,首先采用CFD方法结合群体平衡模型(PBM),基于溶质渗透模型和Kolmogorov各向同性湍流理论对螺旋内槽管内气液传质系数进行了模拟;其次基于Kashchiev和Firoozabadi的经典水合物成核和生长理论,将其体系从单组分-水系统扩展到多组分气体(天然气-水-十二烷基硫酸钠)系统,同时结合经典结晶理论利用传质系数对水合物生长模型进行了修正,建立了适用于螺旋内槽管流动体系内天然气水合物生成动力学模型。通过模拟计算,获得不同水合物生产条件下天然气在水中的平均传质系数;进而利用Microsoft Visual C++编程计算得到不同条件下水合物生成动力学数据,在考察范围内,天然气水合物的成核速率随着反应体系有效表面能的增大而锐减,而水合物生成驱动力和生长速率未受影响,同时水合物生长速率随着流速和反应压力的增大及温度的降低而增大,成核速率随着压力的增大和温度的降低而增大。     

旋流分离对天然气水合物除砂提纯的影响

针对固态流化开采方法开采海底天然气水合物含砂量大导致开采效率低的问题,提出原位分离工艺,设计了旋流分离装置,基于该装置利用CFD数值模拟方法研究了固相(砂和水合物颗粒)直径、入口浆体流量及浆体中砂浓度对装置分离性能的影响。结果表明,在研究范围内,砂和水合物分离效率大部分高于60%,最高达98.72%,压降大部分低于0.5 MPa,最低至0.03 MPa。砂粒分离效率随固相粒径增大先增大后趋于平稳,随浆体入口流量增大先增大后减小,随砂浓度增大而降低;水合物分离效率随固相粒径增大先增大后趋于平稳,随浆体入口流量增大先增大后减小,随砂浓度增大而降低。溢流口和底流口压降几乎不随固相粒径变化,随砂浓度和浆体入口流量增大而增大。固相粒径、入口流量、砂浓度对分离性能有较大影响,在砂粒径大于20 ?m、水合物粒径大于40 ?m、浆体入口流量约5 m3/h、入口砂浓度不超过25vol%的条件下分离性能良好。     

添加水合物促进二氧化碳水合物生成的实验研究

水合物法分离、封存二氧化碳,是减少温室气体排放的有效方法之一。今在专门设计的水合物形成实验装置上,研究了二氧化碳水合物初始生成相平衡条件及其影响因素。分别在纯水中加入2.5%、6%和12.5%体积比的水合物晶块进行水合物的生成实验,发现当加入量为6%体积比以上时,不但可以缩短水合物初始形成时所需要的诱导时间,还可以大大降低过冷度,最低可使其在接近相平衡点的状态下生成水合物。而当加入量为2.5%体积比时,与未加入时相同,没有降低过冷度或缩短诱导时间的作用。本研究结果可用于缩短水合物生成时的诱导时间和降低装置的耐压极限,并提示为防止天然气管道中的水合物的重复堵塞问题,应尽可能彻底清除管道中的水合物残余物。     

水平管油气两相段塞流及其传热特性

海底油气管道的冷却传热过程是结蜡、水合物等海洋石油工业流动保障问题的关键控制因素。采用电容探针与热电偶、热电阻等流动及温度测量手段对不同冷却条件下空气-油段塞流的流动参数和传热参数进行实验测量,分析了空气-油段塞流流动参数对传热特性的影响,并与空气-水对流换热进行对比。结果表明,空气-油段塞流对流传热系数主要受液相折算速度的影响,且冷却液温度越低,管底热流体黏度越大,导致热边界层越厚,传热系数降低;受黏性力及边界层影响,对流传热系数远小于空气-水;沿管壁周向,从管顶到管底的对流传热系数不断增大。提出了适用于冷却条件下的油气段塞流传热关联式和传热模型。     

水平管段塞流持液率的波动特性

气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性.今对水平管中段塞流持液率的波动特性进行了分析.结果表明:在同一折算液速下,随着折算气速的增加,段塞单元的平均持液率和液膜持液率先快速下降再缓慢下降,而液塞持液率先缓慢下降再快速下降.段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;概率密度函数中较完好的峰所对应的持液率与光滑分层液膜区和液塞区的平均持液率相一致.     

Rheological evaluation of kinetic hydrate inhibitors in NaCl/n‐heptane solutions

The performance of polyvinylpyrrolidone (PVP) and polyvinylcaprolactam (PVCap) as kinetic hydrate inhibitors (KHIs) in the presence of NaCl and n‐heptane was evaluated by using a high‐pressure cell in conjunction with a rotational rheometer. The addition of KHIs was found to prolong the induction time and decrease the hydrate growth. On the other hand, hydrates agglomerated more readily. PVP performed more efficiently than PVCap in delaying nucleation time but PVCap controlled the growth and delayed agglomeration more effectively. Addition of n‐heptane to the system increased induction time and reduced growth. Unexpectedly, addition of KHIs in the presence of n‐heptane decreased nucleation time but controlled growth effectively. Meanwhile, hydrate particles remained dispersed more efficiently and no agglomeration was detected. These observations confirm that high‐pressure rheology is an additional laboratory assessment tool to evaluate KHIs under ocean field conditions. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 2654–2659, 2014     

流动体系中的水合物成核诱导期研究

The appearance of turbidity due to large numbers of critical size hydrate nuclei may significantly affect the outgoing light intensity and the flow resistance in the pipe loop. The induction period of hydrate formation was determined by analyzing the experimental data——either based on the shading ratio data of laser detector or based on the pressure drop data of the flow system. The induction period of CC12F2 (R12) in pure water and that of CH4 in (tetrahydrofuran ＋ water) systems were then measured with the above two methods. Experimental data show that the induction period depends on the driving force exponentially. Flow rate also has a significant influence on the hydrate nucleation. A new induction period model taking the driving force and liquid flow rate into account was proposed. And it is successfully applied to the calculation of the induction period, which is in good agreement with the experimental data obtained in this study.     

柱塞气固两相流输送特性

为了研究柱塞式气力输送气固两相流的输送特性,对实际的工业气力输送系统进行1∶1试验台改造,首先进行了粉煤灰在输送管内的流动模式试验;然后进行粉煤灰输送压力、输送质量流量特性试验;最后考察了主进气流量、补气流量、助吹气流量对粉煤灰输送量、固气比的影响。研究表明,柱塞式气力输送流动模式以密相栓柱流为主,其灰栓长度为0.8～2.3 m,移动速度约为2.8～11.3 m·s^-1;输送压力与输送流量呈双曲线特性,且随着气量的增加输送量增大;主进气流量起主导作用并与输送粉煤灰质量流量呈单调上升抛物线关系,与固气比呈上凸抛物线关系即先增大后减小。研究结果对柱塞式气力输送系统的工程设计、运行和理论研究提供依据并具有指导作用。     

基于文丘里管的页岩气试采期段塞流测量补偿方法

为探索页岩气段塞流气液两相流量的测量方法,以Chisholm模型为基础,利用量纲分析法建立了文丘里湿气虚高模型和液相求解方法,并用其预测段塞流液膜区的气液相流量测量。同时,假设段塞流的液塞区为均相流,基于段塞流闭合模型和文丘里均相流模型,建立了液塞区气液相流量与液膜区气相流量的关系。提出利用一种以管道压力信号、文丘里收缩段与扩张段差压信号判断液塞来临的新方法,并加入逻辑回归法提升对液塞来临判断的准确性。在间歇性段塞流某页岩气平台井口进行了19 d的在线测试比对,结果表明,与大型气液计量分离器相比,文丘里湿气测量系统在加入了段塞流补偿方法后,气相测量19 d累计偏差从14%改善至1.08%,液相累计偏差从-57%改善至-11%。     

微通道中气-液-液三相流流型及传质研究

使用双T型微通道,以体积分数为30%的磷酸三丁酯（TBP）的环己烷溶液-乙酸水溶液为萃取体系,研究了不同油水两相流量比及油水两相总流量条件下,气相的引入及气相流量分率α对流型及传质的影响,并获得总体积传质系数k_La与油水两相流量比q、气相雷诺数Re_g、液相平均雷诺数Re_M的关系式。研究结果表明,第1个T型接口处气相的引入所带来的气相剪切作用能促进第2个T型接口处分散相液滴的形成,可使液-液并行流转化为气-液-液三相弹状流;同时,由于气-液-液弹状流具有较高的相接触面积及内循环作用,传质系数k_La得到显著提高。