SDS对甲烷水合物生成动力学和微观结构的影响

表面活性剂是促进水合物生成的有效手段之一。在高压反应釜中研究了十二烷基硫酸钠（SDS）对水合物生成过程的动力学影响,利用XRD和拉曼光谱探究了SDS存在条件下水合物的微观结构。宏观结果表明SDS缩短了诱导时间,加快了水合物生长速率。微观结果表明SDS没有影响sI型水合物的晶型结构,晶面间距与理想sI型水合物及纯水甲烷对比误差在千分之几。水合物中甲烷在大笼小笼中的拉曼位移分别为2904和2915 cm^-1,SDS没有改变大笼小笼结构。大笼绝对占有率（q_L）接近饱和时,SDS可以进一步提高小笼绝对占有率（q_S）,从微观角度证明了SDS可以减少水合数,提高储气率。     

聚乙烯己内酰胺链端改性及其对甲烷水合物形成的抑制作用研究

注入动力学抑制剂是一种有效缓解天然气水合物管道堵塞的方法。本文以动力学抑制剂聚乙烯基己内酰胺(PVCap)结构为基础,将氧乙基和酯基引入PVCap的分子链端,合成了新抑制剂PVCap-XA1,在高压定容反应釜内评价了PVCap-XA1对甲烷水合物形成的抑制作用,并采用粉末X射线衍射、低温激光拉曼光谱和冷冻扫描电子显微镜研究了抑制剂对甲烷水合物结构和形态的影响。实验结果表明,相同实验条件下PVCap-XA1比PVCap具有更好的抑制作用;微观测试表明PVCap-XA1的加入没有改变甲烷水合物的晶体结构,但会使甲烷水合物晶面扭曲变形,可以降低水合物大小笼占有比(I_L/I_S),使得甲烷分子更难进入水合物大笼,同时PVCap-XA1的加入使甲烷水合物的微观形貌由多孔有序变得更致密而不利于气体通过。     

离子液体与PVP K90复合抑制剂对甲烷水合物的生成影响

注入抑制剂是油气行业解决管道输送过程因水合物生成而引发的堵塞问题最常用的方法。但现有大多数动力学抑制剂（KHIs）存在抑制性能不足、高过冷度条件下会失效等问题，可应用场合大大受限。离子液体作为绿色溶剂对甲烷水合物具有良好的热力学抑制作用。为改进KHIs的性能，提出将离子液体与KHIs复合。本文实验考察8.0 K过冷度、两种浓度下[1.0%(质量)、2.0%(质量)]离子液体N-丁基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐([BMP][BF₄])、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP K90）以及二者复配构成的复合型抑制剂对甲烷水合物抑制规律，得到了最佳组分配比。利用粉末X射线衍射（PXRD）和低温激光拉曼光谱测量了不同抑制剂体系中形成的甲烷水合物晶体微观结构和晶穴占有率，发现添加抑制剂不会改变sI型甲烷水合物晶体结构，但会影响水合物晶体的大、小笼占有率和水合数。结合宏观动力学实验和微观结构测试结果，揭示离子液体与PVP K90复合抑制剂的抑制机理。     

Ⅰ型甲烷水合物稳定性的分子动力学模拟

利用计算机模拟研究了CH4笼型水合物中的晶穴占有率对甲烷水合物稳定性的影响。模拟结果表明晶穴在部分被占有的情况下,水合物的笼型结构依然能够保持稳定,水合物的势能和压力与晶穴占有率有关,势能随着晶穴占有率的增大而减小,且表现为负值,压力则表现为正值,并且随着占有率的增大而减小,晶体结构被分解的情况除外,通过模拟结果与实验结果的比较,最后推断出最有可能稳定存在的是晶穴被全部占有时的水合物。     

基于密度泛函理论的重烷烃类sH型水合物稳定性研究

基于密度泛函理论以及ADF/SCM软件,利用GGA-D-PBE-D3(Perdew-Burke-Ernzerhof)/TZP基组对包含重烷烃分子的sH型水合物的稳定性进行了研究。基于量子化学原理,分别对sH型水合物中的小、中、大笼进行了结构优化计算,进而计算了笼子的结合能(binding energy)。计算结果表明,重烷烃分子在CH_4分子作为辅助气体分子时可以形成稳定的sH型水合物,其中CH_4占据小笼和中笼,重烷烃分子占据大笼。研究发现,大笼的结合能处于由2条平行线构成的狭窄区域内。计算结果与现有的试验结果有很好的一致性。     

客体分子数对甲烷水合物导热性能影响的分子动力学模拟

本文通过采用EMD方法Green-Kubo理论计算263.15 K 晶穴占有率0-100% sI甲烷水合物导热系数,研究客体分子数对甲烷水合物导热性能的影响。模拟结果显示,甲烷水合物的低导热性能由主体分子构建的笼型结构决定。而在相同温压条件下,随着客体分子甲烷进入晶胞数目增多,晶穴占有率增大后,密度增大,同时客体分子对声子的散射也增强,二者均导致导热性能增强。     

笼型水合物为能源化工带来新机遇

笼型水合物是利用水分子通过氢键作用构建的笼型结构对甲烷等能源气体进行存储和提取,具有高安全性、高储存容量、温和储存条件、环境友好等优点。天然气水合物是传统能源和绿色能源之间的桥梁燃料,已成为世界各国科学家竞相研究开发的热点。本文综述了笼型水合物在能源与环境、流动安全、工程应用三个方面的研究成果,涵盖了固化天然气（SNG）、CO₂捕获和气体分离、蓄冷、海水淡化、汽车燃料以及制氢与储氢等能量转换、能量储存的领域。文章指出大力发展笼型水合物衍生技术,实现提取甲烷同时捕获二氧化碳,有助于实现碳中和的目标。阐述了笼型水合物生成依赖于其自身的热力学相平衡条件、反应过程的动力学性质及传递过程强化,从生成到分解的过程主要包括溶解、成核、生长、晶裂和解吸等一系列步骤,过程的微观机理复杂。展望了利用多尺度方法研究水合物生成的微观结构、界面现象、宏观应用和作用机理,有助于扩展化学工程的原理和知识,对开发能源化工领域新材料新工艺也有裨益,从而促进能源化工的发展。     

CO_2/N_2水合物稳定性的分子动力学模拟

本文采用分子动力学模拟方法,构建sI型CO_2/N_2水合物单晶体系初始构型,研究θ_(CO_2)=75%、θ_(CO2)=50%、θ_(SCO_2)=75%、θ_(SCO_2)=50%四种CO_2占有率情况下的水合物稳定性。结果表明,在CO_2整体占有率相同的情况下,小笼CO_2占有率越高,CO_2/N_2水合物越不稳定。当小笼CO_2占有率相同时,CO_2整体占有率越大,CO_2/N_2水合物越稳定。     

撞击流反应器内快速生成甲烷水合物

为了快速制备甲烷水合物以利于天然气水合物法储运,在自行搭建的液相连续撞击流反应器内考察了纯水和纯水+十二烷基硫酸钠(SDS)2种体系中撞击强度、反应器内温度、初始压力对甲烷水合物快速生成的影响.实验结果表明:2种体系内撞击强度的增加可明显加快甲烷水合物的生成,在撞击强度为0.38、反应的前30 min,水合速率达到最大...     

甲烷水合物在纯水中的生成动力学

引言一些低分子量气体,如石油和天然气中C_1～C_4轻烃、氮气、硫化氢、二氧化碳和惰性气体等,在一定压力和温度的条件下可与水形成一类笼形结构的冰状晶体,即所谓的气体水合物．气体水合物是一类较为特殊的包络化合物：主体水分子通过氢键相互结合形成一种内含空隙的笼形框架,客体分子则被笼罩于这些空隙中．主、客体分子之间的作用力为vanderWaals力．水合物晶体最为常见的两种结构分别称为结构I（体心立方构型）和结构Ⅱ（金刚石构型）．甲烷和水形成结构I水合物．文献阐述了开展水合物生成动力学研究的重要意义．但由于水合物生成…     

离子液体与动力学抑制剂作用下混合气体水合物生成特性研究

利用等温恒容法实验考察了一种高性能离子液体N-丁基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐([BMP][BF₄])、两种动力学抑制剂(KHIs)[聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和聚乙烯己内酰胺(PVCap)]及[BMP][BF₄]与KHI的二元混合物对甲烷/乙烷/丙烷三元混合气体水合物生成动力学过程的影响规律。通过分析压力和气相组分变化规律，发现混合气体水合物呈现两步骤生长模式。在高过冷度(>10℃)和高搅拌速率(1000 r/min)条件下，单一添加剂基本失效，而[BMP][BF₄]可较好协助增强PVCap的抑制性能。粉末X射线衍射和激光拉曼光谱测试结果均显示，所有体系中形成的水合物样品结构同时存在sⅠ型和sⅡ型，抑制剂的添加主要影响两种晶体结构的相对含量和各客体分子的笼子占有率。最后探讨了协同抑制机理。     

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.     

南海海泥中甲烷水合物的形貌及赋存特性

水合物表观形貌受水合物的生长方式影响,能够反映水合物在沉积物中的分布以及与沉积物的空间关系,进而对含水合物沉积物的物理特性产生影响。本文通过在实际钻采的南海神狐海域水深2713m的海泥中生成甲烷水合物,利用冷冻扫描电子显微镜（Cryo-SEM）和能谱仪（EDS）对合成水合物的微观形貌、元素组成进行表征。结果表明,与冰相比,纯水体系下的甲烷水合物形貌单一且容易分解。纯水体系生成的水合物与海泥体系生成的水合物形貌相似,均呈颗粒胶结状,微量纳米级别的颗粒冰分布在表面。元素分析表明相较于纯水体系,海泥中生成的水合物C元素含量更高,水合物笼子占有率也越高。海泥中含有微量的C元素,通过C元素含量增加及C、Si比提高确定了表面颗粒胶结状为水合物。本研究为辨别沉积物中的水合物提供了新思路,为研究水合物的表观形貌及赋存提供了重要方法。     

盐水体系的二氧化碳-氢水合物结构和组分研究

水合物法二氧化碳(CO₂)捕集是实现“双碳”目标的高效技术之一。利用激光拉曼测量气体水合物结构和组成可以作为定性/定量分析水合物法CO₂分离捕集效率的基础。本研究利用激光拉曼测量了不同体系利用水合物法从CO₂/H₂混合气中分离捕集CO₂过程中水合物的微观结构和组成。研究结果表明，利用泡沫镍代替机械搅拌，促使H₂进入了水合物笼，从而降低了CO₂的分离效率。研究结果为进一步优化水合物法CO₂分离捕集工艺提供了科学依据。     

X射线衍射分析聚乙烯吡咯烷酮对水合物分解过程的影响

深水油气资源的勘探开发以及开采过程中的环保要求,使得天然气水合物动力学抑制剂使用不可避免,含动力学抑制剂的分解研究对水合物生成后的解堵具有重要的指导意义。本文在高压反应釜内采用甲烷和丙烷混合气,合成天然气水合物,并用X射线粉晶衍射仪分析了含动力学抑制剂聚乙烯吡咯烷酮的水合物分解过程。结果显示甲烷和丙烷气体会形成SⅡ型水合物,但伴随有SⅠ型甲烷水合物的生成;添加动力学抑制剂后,水合物的分解速率变慢,在-60℃,添加0.5%的聚乙烯吡咯烷酮后,分解起始的20 min内,无抑制剂体系水合物分解可达69%,而在含抑制剂体系分解约18%;SⅡ型甲烷丙烷混合气水合物分解过程中晶胞各晶面分解速率相同,没有偏好性,水合物笼作为一个整体分解,添加抑制剂不改变这种分解方式,仍以整体分解。     

四氢呋喃-甲烷水合物稳定性的分子动力学模拟

目前对水合物稳定性的研究主要以实验为主,水合物的晶穴占有率和客体分子的比例难以人为控制,本文采用分子动力学(MD)模拟方法,在正则系综(NVT)模拟条件下,研究了温度为263.15K、273.15K及晶穴占有率为100%、66.7%、33.3%、0时,客体分子甲烷、四氢呋喃对Ⅱ型水合物稳定性的影响,发现较低的温度、较高的晶穴占有率和适宜的客体分子均有利于保持Ⅱ型水合物晶体结构的稳定;晶穴占有率对晶体稳定性的影响大于客体分子种类对晶体稳定性的影响;在一定范围内温度的变化对于已经处于稳定状态的晶体的稳定性影响不大;提出了提高天然气水合物稳定性、降低储存温度与压力的方法,为水合物法储存运输天然气提供参考。     

复配体系下无机盐对甲烷水合物生成的影响研究

采用不同质量分数的NaCl环境下，研究在273.15 K和7 MPa下不同粒径的多孔介质(SiO₂)与表面活性剂(SDS)复配对甲烷水合物生成的影响。实验发现：NaCl的加入对水合物的生成起到了抑制的作用，且随着质量分数的增加，这种抑制效果越明显；NaCl的加入会减弱由SDS引起的贴壁生成的效果，在此前提下，在实际的生产中，可以添加某一质量分数的氯化钠来确定水合物的形成位置，使得水合物和多孔介质便于分离，节约成本。     

R141b气体水合物的晶体结构与结晶特性分析

通过搭建制冷剂气体水合物晶体制备与X射线衍射(XRD)测试装置,制备了以0.10 g SDS作为表面活性剂的R141b气体水合物晶体,获得了水合物结晶过程的反应温度曲线和实验样品的X射线粉末衍射图谱。结合反应温度曲线对实验样品衍射图谱的定性分析,确定了水合物制备过程中仅生成II型笼状水合物晶体;利用绝热法对实验样品的衍射图谱进行物相定量分析,发现制备样品时R141b加入量对样品中II型与Ih型晶体的平均质量之比及两相分布规律具有直接影响;结合气体水合物结晶理论对结晶反应温度曲线和衍射图谱进行了讨论,认为R141b加入量对气体水合物生成的结晶微观环境有关键影响,从而导致结晶反应温度曲线与实验样品衍射图谱呈现较大差异。     

SDS体系下甲烷水合物生成条件预测模型

以van der Walls-Platteeuw模型为基础,采用划分基团贡献的思想利用UNIFAC法和Aasberg-Petersen模型分别计算十二烷基硫酸钠(SDS)中不同基团对水的活度系数贡献值,建立了SDS体系下甲烷水合物生成条件预测模型。经实验验证,预测最大误差不超过5%,平均误差在3%以内,改进后的模型良好的可靠性可为水合物动力学研究提供准确的相平衡数据。通过模型计算,发现相对比纯水,SDS会影响水的活度明显改善水合物生成条件。当浓度在0.001 5 mol/L时效果最好,超过0.002 mol/L时,反而会提高水合物生成条件抑制水合物生成。     

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。