泡沫铜强化甲烷水合物生成动力学实验研究

提高水合物生成速率和储气密度对天然气水合物技术应用非常重要。将三种孔密度的泡沫铜（CF）分别浸入十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中构建水合储气强化体系,在高压静态反应釜中研究泡沫金属对甲烷水合物生成动力学特性。实验结果表明,泡沫铜骨架能为水合物生成提供充足的结晶点,同时可作为水合物生长过程水合热迁移的“高速公路”。甲烷水合物在SDS/CF体系中可快速生成,最大水合储气速率分布在19.24~21.04 mmol·mol^-1·min^-1之间,其中添加15 PPI泡沫铜的SDS溶液储气量最高（139 mmol·mol^-1）,且达到最大储气量90%所用时间最短（10.1 min）。在6.0~8.0 MPa压力下,相比SDS溶液,添加15 PPI泡沫铜的SDS溶液储气量提高了8.8%~35.6%,储气速率提高了4.7%~40.4%;特别在压力为5.0 MPa时,该孔密度SDS/CF体系储气量甚至比SDS溶液增加13倍,储气速率增加16倍。     

表面活性剂吸附对促进甲烷水合物生成效果的影响

基于表面活性剂固-液界面吸附理论,在无搅拌条件下研究了十二烷基硫酸钠（SDS（、脂肪醇聚乙烯醚硫酸钠（AES（、脂肪醇聚乙烯醚（AEO（3种表面活性剂在不锈钢反应釜中对甲烷水合物生成的促进效果。结果表明：水合物的生成形态与表面活性剂吸附金属表面形态有良好的对应关系;SDS与AES在金属表面的吸附作用可使水合物成核速率提高,成核位置增多。由于AEO不能在金属壁面发生吸附,导致对水合物生成促进效果降低,在浓度为300 mg·L^-1的SDS、AES和AEO溶液中,水合物储气密度及平均储气速率分别为131.4、128.3、12.3（体积比（和5.8、7.6、0.07 mmol·min^-1;逐步提高SDS溶液浓度（80~1200 mg·L^-1（和AES溶液浓度（60~1350 mg·L^-1（,水合物储气密度首先增大然后减小,储气速率线性增大。因此,合理选择表面活性剂种类及浓度,可显著促进水合物生成。     

表面活性剂吸附对促进甲烷水合物生成效果的影响

基于表面活性剂固-液界面吸附理论,在无搅拌条件下研究了十二烷基硫酸钠(SDS)、脂肪醇聚乙烯醚硫酸钠(AES)、脂肪醇聚乙烯醚(AEO)3种表面活性剂在不锈钢反应釜中对甲烷水合物生成的促进效果。结果表明:水合物的生成形态与表面活性剂吸附金属表面形态有良好的对应关系;SDS与AES在金属表面的吸附作用可使水合物成核速率提高,成核位置增多。由于AEO不能在金属壁面发生吸附,导致对水合物生成促进效果降低,在浓度为300 mg·L~(-1)的SDS、AES和AEO溶液中,水合物储气密度及平均储气速率分别为131.4、128.3、12.3(体积比)和5.8、7.6、0.07 mmol·min~(-1);逐步提高SDS溶液浓度(80~1200 mg·L~(-1))和AES溶液浓度(60~1350 mg·L~(-1)),水合物储气密度首先增大然后减小,储气速率线性增大。因此,合理选择表面活性剂种类及浓度,可显著促进水合物生成。     

低剂量超吸水树脂溶液微滴中甲烷水合物生成动力学

高储气密度水合物的快速生成对气体水合物技术应用至关重要。将水与疏水性气相纳米二氧化硅和低剂量［0.1%~1.0%（质量）］的超吸水树脂在搅拌器中高速混合分散，制备出一种超吸水树脂改性的干水。该改性干水实质上是由高分子聚合物支撑且可自由流动的分散微滴堆。在8.0 MPa和274.2 K条件下，研究该改性微滴中甲烷水合物生成动力学特性。结果表明，松散的聚合物微滴极大地改善了液相连续水比表面积，为气体扩散至微滴表面提供了丰富的通道。水合物在聚合物微滴中快速生成，储气速率可达5.15~8.78 cm³·g^-1·min^-1，储气量高达158.0~175.0 cm³·g^-1。质量分数为0.3%的微滴表现出最快储存速率和最高储气量，且其循环水合储气过程中前6次储气量均超过120 cm³·g^-1。研究结果对水合物储运天然气技术规模化应用有一定的参考价值。     

低剂量超吸水树脂溶液微滴中甲烷水合物生成动力学

高储气密度水合物的快速生成对气体水合物技术应用至关重要。将水与疏水性气相纳米二氧化硅和低剂量［0.1%~1.0%（质量）］的超吸水树脂在搅拌器中高速混合分散,制备出一种超吸水树脂改性的干水。该改性干水实质上是由高分子聚合物支撑且可自由流动的分散微滴堆。在8.0 MPa和274.2 K条件下,研究该改性微滴中甲烷水合物生成动力学特性。结果表明,松散的聚合物微滴极大地改善了液相连续水比表面积,为气体扩散至微滴表面提供了丰富的通道。水合物在聚合物微滴中快速生成,储气速率可达5.15~8.78 cm³·g^-1·min^-1,储气量高达158.0~175.0 cm³·g^-1。质量分数为0.3%的微滴表现出最快储存速率和最高储气量,且其循环水合储气过程中前6次储气量均超过120 cm³·g^-1。研究结果对水合物储运天然气技术规模化应用有一定的参考价值。     

介观尺度下甲烷水合物合成特性研究

为研究介观尺度下甲烷水合物的生成速率及储气量等特性,选用介孔分子筛SBA-15为多孔介质,并添加热力学促进剂THF、TBAB和表面活性剂SDS以提高水合反应速率。水合物生成实验在定容恒温条件下进行,压力选取2. 0 MPa和1. 8MPa,温度选取282. 15 K和279. 15 K。实验结果表明,在添加剂的共同作用下,介观尺度下水合物合成速率得到显著提高;反应过程中温度波动较小,最大为0. 6 K,表明其具有良好的传热性;在水合物储气量方面,实验中最大储气量达到45. 826 mmol(10 m L水),降温、增压能够提高水合物储气量;同时高压和低温能够有效地提高介观尺度下水合反应速率,最高生成速率达到2. 335 mmol/min;在促进水合物生成、提高水合物储气能力、加快水合物反应速率方面THF均优于TBAB。     

甲烷-叔丁胺-水体系中水合物的生成过程

利用恒压预冷法研究了不同反应物量(30.0,100.0g)、不同压力(2.50,3.50,4.50 MPa)、温度为6℃时无搅拌甲烷-叔丁胺-水体系中水合物的生成过程.实验结果表明,水合物在此体系中的生成形态为浆状;CH4水合反应速率随压力升高而增大;当初始反应物量较少(30.0g)时,甲烷储气量(标准状态下水合物中甲烷与初始反应物的体积比)随压力升高而增大不明显(3.50 MPa时为3.0 mL/mL,4.50 MPa时为3.1 mL/mL),当初始反应物量较多(100.0g)时,甲烷储气量随压力升高反而降低(由2.50 MPa时的5.4 mL/mL变为4.50 MPa时的0.9 mL/mL);反应过程中可能同时生成了纯叔丁胺结构的Ⅵ型和甲烷/叔丁胺结构的Ⅱ型两种水合物,且Ⅵ型与Ⅱ型量比在反应后期比前期大;甲烷与浓度为9.3%(mol)的叔丁胺溶液生成的水合物中甲烷储气量较低(最高5.4 mL/mL).通过分析甲烷-叔丁胺-水体系中水合物的生成过程,认为其可能包括反应分子接触聚集、水合物骨架形成和水合物晶体增长等3个步骤.     

丁二酸二异辛酯磺酸钠对甲烷水合物生长动力学特性的影响

通过改变添加量（600mg/L、900mg/L、1200mg/L）、过冷度（3.5℃、5.5℃、7.5℃）以及压力（4.90MPa、6.0MPa、7.31MPa）的方式，考察了在静态体系下绿色促进剂丁二酸二异辛酯磺酸钠（AOT）对甲烷水合物生长动力学特性的影响。实验结果表明，3种浓度下AOT均能够有效缩短诱导时间，并且浓度越大，诱导时间越小（1200mg/L时为0.21h），但储气量随着添加量的增加，先增大后减小，最终确定最佳添加量为900mg/L，水合物储气量为55.76m³/m³；另外，过冷度越大，实验压力越高，水合物成核速度越快，诱导时间越短，耗气速率越高。当过冷度为7.5℃时，诱导时间最小为0.31h，耗气速率最大为0.275mol/h，储气量最大为63.95m³/m³；但压力过大，釜内气液界面会快速生成水合物层，阻碍水合物继续生成，导致水合物储气量减少为46.84m³/m³。所以，在静态体系下，合理选择促进剂的浓度和驱动力的大小，可显著促进水合物生成。     

气液比对表面活性剂复配促进甲烷水合物生成影响

气液比作为影响天然气水合物快速、大量生成的关键因素,有必要对其深入研究。利用天然气水合物装置,设定初始压力为6 MPa,温度为275.15 K,研究了十二烷基硫酸钠(SDS)与烷基多糖苷(APG1214)复配溶液体系在不同气液比条件下对天然气水合物生成影响。结果表明,合理的选取气液比能增强水合物的储气能力以及生成速率,4.00为其最佳气液比,最终储气密度可达到110.2(V/V),实验初始气液比的大小会影响水合物的生成过程,增加气液比能增加水合物的生成速率。因此,合理地将表面活性剂复配以及选取气液比,可显著提高水合物生成速率与储气能力。     

高含水油包水乳液的水合物储气性能研究

油包水乳液是近年来新兴的一种水合强化材料,具有良好的水合储气潜力,但是为了保证乳液的稳定性,通常所用的油包水乳液含水量不超过50%。然而水合物的储气量与水含量密切相关,因此高含水的油包水乳液更具有应用前景。对含水量超过50%的油包水乳液进行了水合物的储甲烷研究,考察了乳化剂用量、初始压力及搅拌速率对储气性能的影响,最后考察了乳液的循环储气能力。结果表明：含水量超过55%后,含水量的增加会造成乳液液滴的增大,储气量的降低。乳液含水量为55%,复合乳化剂Span80 / Tween80（m_Tween80∶m_Span80=0.783∶1）用量5%（质量）（以水量为基准）的乳液最适合水合储气;初始压力的增加有利于水合储气性能的提高,但压力过高会造成水合物壳的快速形成,从而降低整体储气能力;适宜的搅拌速率有利于水合物的生成,过快或过慢都会引起水合速率的下降。本实验中最佳的乳液水合储气条件为：温度274.15 K、反应釜中气水体积比10∶1、甲烷初始压力6 MPa、搅拌速率700 r/min,在此条件下,储气量可达141.42 L 气/L 水。在此条件下进行循环储气实验证明该乳液具有良好的循环利用性,四次循环中储气量均在130 L 气/L 水以上。研究结果可为天然气储运以及含烃混合气分离提供技术参考。     

甲烷-四氢呋喃-水体系水合物生成动力学的实验和模型化研究

研究了透明鼓泡塔中含促进剂四氢呋喃（THF）体系中甲烷水合物的生成动力学.分别考察了进气速率、温度、压力、水合物体积分数对甲烷消耗速率的影响.根据Chen-Guo水合物生成机理,采用基础水合物生成反应的量纲1 Gibbs自由焓变-ΔG/RT作为反应的推动力,建立了水合物生成动力学模型,模型中考虑了体系温度、压力和气液接触比表面积的影响.把模型应用于甲烷气体消耗速率的计算,其模型预算结果与实验数据吻合良好,实验结果和反应动力学模型将有助于工业水合反应器的设计和操作条件的设定.     

低浓度瓦斯气体水合分离过程中十二烷基硫酸钠和高岭土的影响

为了探寻有效改善瓦斯水合分离动力学条件的方法,本文研究了十二烷基硫酸钠(SDS)和高岭土对瓦斯水合物生成过程及CH₄分离效果的影响。实验获取了低浓度瓦斯在4个体系中,即：SDS质量分数为10.34%的SDS溶液及高岭土质量分数为1.47%、5.64%和8.23%的SDS-高岭土复配溶液中瓦斯水合物生成过程压力-温度-时间（p-T-t）曲线,利用气相色谱仪测定了分离产物中CH₄的浓度。结果表明：SDS和SDS-高岭土复配体系缩短了瓦斯水合物生成诱导时间,提高了瓦斯水合物生成速率。4个体系中,瓦斯水合物生成诱导时间最短为72 min,平均生成速率最大可达5.261×10^-6 m³·h^-1;一级水合分离产物中CH₄浓度比原料气提高了12.40%～20.61%;在SDS-高岭土复配溶液中,瓦斯水合物分形生长,CH₄提纯浓度最高可达58.41%。     

烷基多糖苷对甲烷水合物生成影响

烷基多糖苷(APG)是一种高效能、无毒性的非离子表面活性剂,它被广泛应用,尤其在水合物领域的研究更具有重要意义。通过实验,在改变质量浓度、初始压力、碳链长度3个条件下,分别研究了APG对甲烷水合物生成的影响。结果表明:合理地选取APG溶液的质量浓度可以有效地提高水合物的生成速率与储气密度,1 500 mg/L的溶液体系效果最佳,最终储气密度(体积分数)可达到138. 17;实验初始压力与最终储气密度存在着一定的线性规律,压力增大,最终的储气密度也随之增大;碳链的长度会影响水合物的生成过程,增加碳链长度可以提高水合物生成速率。因此,合理地选择表面活性剂的碳链长度、种类、质量浓度以及初始压力,可明显提高水合物生成速率与储气能力。     

相变浆液中甲烷水合物的生成过程强化

利用相变材料（PCM）正十四烷的固液相变过程,吸收甲烷水合释放的热量,实现了直接换热强化水合过程的目的。正十四烷与水混合制成相变乳液（PCE）,经冷却后形成浆液。在半间歇水合器中,测定并计算了甲烷水合物在此浆液中的收率和生成速率。为了提高计算的准确性,设计了一套PVT装置,通过减压法实验测定了低温条件下甲烷在正十四烷中的溶解度。实验结果表明：低温条件下,甲烷在正十四烷中的溶解度与压力基本呈线性关系;相比于间接传热方式下的水合过程,相变浆液中甲烷水合物收率及生成速率得到了有效提升。     

相变浆液中甲烷水合物的生成过程强化

利用相变材料(PCM)正十四烷的固液相变过程,吸收甲烷水合释放的热量,实现了直接换热强化水合过程的目的。正十四烷与水混合制成相变乳液(PCE),经冷却后形成浆液。在半间歇水合器中,测定并计算了甲烷水合物在此浆液中的收率和生成速率。为了提高计算的准确性,设计了一套PVT装置,通过减压法实验测定了低温条件下甲烷在正十四烷中的溶解度。实验结果表明:低温条件下,甲烷在正十四烷中的溶解度与压力基本呈线性关系;相比于间接传热方式下的水合过程,相变浆液中甲烷水合物收率及生成速率得到了有效提升。     

降低“固封”对甲烷水合物生成的影响

随着天然气的大量使用,其储存、运输及调峰越来越重要。天然气水合物在常压状态下具有高储存比,适合应用于天然气的储存、运输及调峰过程中。因此,对天然气水合物的生成研究具有重要意义。本文研究了如何大量生成水合物并保证水合物具有较高储气率的方法。在含聚乙烯吡络烷酮[PVP(K90)]的溶液中,改变PVP(K90)的质量分数、搅拌器的转速与搅拌器的类型,研究甲烷水合物生成量与水合物储气率的变化。结果表明,添加一定低质量分数的PVP(K90)和增加搅拌速度,均可以延迟水合物层的"固封"作用,增加水合物的生成量。在PVP(K90)质量分数高于2%时,生成水合物的密封性降低,水合物"固封"作用被破坏,但是水合物储气率较低。采用不同形式的搅拌杆,在旋转过程中形成空心圆柱,破坏水合物层的"固封"作用,搅拌杆附近的甲烷与水合物晶核被输送到溶液底部,增加了水合物的生成量,而且水合物的储气率较高。在水合物生成过程中,存在水合物微粒多次聚结的现象,使甲烷的消耗量迅速增加。     

两种体系中甲烷水合物生成特性的研究

为了强化甲烷水合物生成,满足工业生产天然气水合物的要求,利用定压鼓泡式反应器对甲烷水合物在冰浆体系中和水体系中的生成特性进行了对比实验研究。结果表明,冰浆体系中水合反应的诱导时间比水体系水合反应的诱导时间短;冰浆体系比水体系拥有更大的导热系数和反应热吸收能力,更有利于反应热的释放;十二烷基硫酸钠浓度改变的过程中,水体系中反应的诱导时间和水合物储气密度的变化比冰浆体系明显;冰浆体系可以提升水合物的储气密度,但是随着有利于水合物反应条件的增加,冰浆的提升效果会逐渐地减弱。     

两种体系中甲烷水合物生成特性的研究

为了强化甲烷水合物生成,满足工业生产天然气水合物的要求,利用定压鼓泡式反应器对甲烷水合物在冰浆体系中和水体系中的生成特性进行了对比实验研究。结果表明,冰浆体系中水合反应的诱导时间比水体系水合反应的诱导时间短;冰浆体系比水体系拥有更大的导热系数和反应热吸收能力,更有利于反应热的释放;十二烷基硫酸钠浓度改变的过程中,水体系中反应的诱导时间和水合物储气密度的变化比冰浆体系明显;冰浆体系可以提升水合物的储气密度,但是随着有利于水合物反应条件的增加,冰浆的提升效果会逐渐地减弱。     

表面活性剂的酸碱度对甲烷水合物生成的影响

针对甲烷水合物的快速制备,在初始压力7MPa和恒温2℃条件下采用脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)阴离子表面活性剂和烷基多糖苷(APG1214)非离子表面活性,通过改变表面活性剂溶液的酸碱性,观察不同pH值对水合物的促进能力,并以表面活性剂分子吸附理论为基础进行分析。结果表明,在pH=3强酸条件下,水合物在气-液界面处先形成晶核,阻碍了气液继续接触,储气密度最低;在pH=11强碱性条件下,晶核在固-液界面处成核,水合物生成速率最高,储气密度最大。     

低温常压条件下水合物法储存甲烷的实验研究

利用水合物法实现对天然气的工业储运,需要提高水合物的储气量并解决水合物的分解速度问题。为此,文章研究了在十二烷基硫酸钠（SDS）体系中,甲烷水合物的储气量和在冰点以下的常压分解规律。研究发现,SDS浓度为650 mg/L时甲烷水合物储气量达到最高值,约为170 V/V。分解温度为268.2~272.2 K区域内,甲烷水合物的分解速率随温度的降低而降低;在268.2 K时,甲烷水合物分解速率最低。