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。     

鼓泡器中环戊烷-甲烷-盐水体系水合物的生成动力学

采用鼓泡装置研究了盐水体系中环戊烷（CP）-甲烷水合物的生成动力学,分别考察了进气速率、温度、压力对水合物生成速率和进气速率对气体转化率的影响。结果显示,提高进气速率、压力,降低温度均可提高水合物生成速率。但进气速率对气体转化率有影响,进气速率过大,单位时间内进入到反应器内的气体过多,气体还未参与反应便被排出,导致气体转化率反而减小。通过观察到的实验现象,分析环戊烷-甲烷水合物的生成过程,认为水合物晶体首先在环戊烷-水界面生成,并逐步向内部气相生长,最后水合物壳破裂,气泡逸出。水合物逐渐生长成粒状,并不断聚集在一起。     

HCFC-141b制冷剂气体水合物生长过程的形态

通过实验观测了HCFC - 141b制冷剂气体水合物的生成过程 ,认为水相和制冷剂相在过冷的条件下在界面上局部成核 ,成核扩展至两相接触的整个界面 ,水合物的进一步生成是由于制冷剂相通过水合物层扩散到水相中形成的 .利用显微实验的生成图像计算了水合物晶体的生长速率 ,并与外冷实验中的晶体生长速率比较 ,认为扰动增大了制冷剂相和水相的两相相界面的接触维数 .     

油包水乳化液滴形成甲烷水合物的动力学特性研究

针对油气输运管线中天然气水合物堵塞问题,重点研究了油包水乳化液滴形成气体水合物的动力学特性。根据原油的甲烷溶解能力经验模型,预测了油包水乳化液(35%(V)水和65%(V)白油)中油-液两相区的甲烷饱和溶解度,优化了乳化液滴的水合反应动力学模型,并且对单个乳化液滴在不同压力和不同液滴尺寸条件的水合物结晶过程进行了数值模拟。研究结果表明,水合物在白油-水乳化体系的结晶生长过程是一个缩核过程,甲烷消耗量和反应速率随着液滴半径的增大而增大,但是水合物转化率随着液滴半径的增大而减小;压力越高,水合物转化时间越短,该结果对揭示油包水乳化液滴的水合结晶机理以及油气输运管线水合物抑制技术的发展具有重要意义。     

机械扰动强化气体水合物快速生成研究进展

气体水合物技术在天然气固态储运、CO₂捕获与封存等领域具有广阔的应用前景。高效快速制备水合物是水合物应用技术产业化的关键技术之一。从成核机理、相平衡、传热和传质等角度简述了气体水合物快速生成机理,回顾了常见的搅拌、喷淋和鼓泡等机械扰动强化气体水合物快速生成方法的基本原理和特性。依据强化传质传热领域内的新进展,进一步阐述了新型机械扰动强化气体水合物快速生成方法的基本原理和特性,重点综述了流化床、超声波、超重力、撞击流等技术的研究进展。从耗气率、水合物生成速率、总能耗、气体转化率等角度分析评价了各种机械扰动强化气体水合物快速生成方法的优缺点。总体来说,目前各种机械扰动强化气体水合物生成技术仍处于实验室阶段,传统的搅拌、喷淋和鼓泡强化技术生成速率较低;新型的流化床、超声波、超重力和撞击流等技术也存在各种不同的缺点,有待进一步优化改进。同时指出探究微观成核机理、开发新型易固液分离的气体水合物生成系统以及构建水合物反应器评价体系等是未来气体水合物快速生成相关研究中需要进一步解决的问题。     

油水体系内水合物的生成:温度、压力和搅拌速率影响

水合物在管道内的生成对流动安全保障构成了极大威胁。为研究水合物在油水体系内的生成特性,本文以天然气、柴油、水为实验介质,在高压可视反应釜内开展了一系列不同温度、压力和搅拌速率的水合物生成实验。根据测试实验中温度、压力的变化趋势,首先分析了两种不同实验步骤下水合物的生成过程。然后,基于从反应釜可视窗处观察到的实验现象,研究了温度、压力和搅拌速率对水合物生成和分布位置、水合物生成形态及水合物形态演化过程的影响。实验中,可以观察到水合物的聚集、沉积和壁面膜生长现象。同时,实验还研究了温度、压力和搅拌转速对诱导时间、壁面水合物膜生长速率及气体消耗速率等水合物生成动力学参数的影响。本文研究成果可为油气管道水合物防治技术的发展提供理论支持。     

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.     

气体水合物形成的热力学与动力学研究进展

气体水合物形成过程中涉及复杂的热力学和动力学问题.本文对水合物热力学理论模型、水合物生成动力学机理等方面的研究成果和最新进展进行了综述.热力学方面重点介绍了基于等温吸附理论 (van der Waals-Platteeuw模型)和基于双过程水合物生成机理(Chen-Guo模型)的相平衡热力学模型,同时介绍水合物结构及其转变方面的最新研究成果.动力学方面介绍了成簇成核、界面成核等成核机理模型以及成核后的水合物生长机理.另外还述及了目前水合物热力学和动力学研究中所涉及的微观、亚微观和宏观测量方法.针对目前水合物热力学和动力学研究中存在的问题,对未来的发展方向和重点提出了建议.     

冰点以下多孔介质中气体水合物的生成动力学研究进展

青藏高原冻土区储存着大量的天然气水合物资源,CO₂置换开采冻土区的天然气水合物可实现天然气水合物的安全开采和温室气体CO₂的地层封存。冰点以下多孔介质中气体水合物的生成动力学,是冻土区天然气水合物置换开采研究领域的难点和热点问题。本文全面综述了冰点以下多孔介质中气体水合物的生成动力学研究进展,讨论了不同体系冰点以下多孔介质中气体水合物的形成机理及其生成特性;详述了冰生成水合物机理及其冰粉/多孔介质体系中气体水合物的生成特性,分析了冰点以下多孔介质中气体水合物生成动力学研究尚待完善和改进的地方。最后本文指出冰点以下多孔介质中水合物的生成过程是由传热、传质等多种因素所控制,揭示不同过程的主导因素及其影响规律是今后研究的重点方向。目前对冰点以下多孔介质中水合物的生成特性及机理的认识尚未成熟,仍需深入研究。     

泡状流中水合物生成预测模型及实验

针对可燃冰钻采井筒内易发生水合物生成和堵塞的工程问题,本文开展了泡状流条件下甲烷水合物生成实验,发现流速增加会提高水合物生成速率,黄原胶质量分数的增加会降低水合物生成速率。基于传质理论,构建了适用于可燃冰钻采井筒内泡状流条件下水合物生成预测模型,模型考虑了连续相流体流变性、气泡破裂、聚并和形变等因素对泡状流中气液界面分布和气液间传质规律的影响,并耦合实验数据,提出了气泡群间的综合传质系数经验公式,用于描述气泡间相互作用对气液间传质速率的影响。对比实验结果,所建立模型对水合物生成量和水合物生成速率的预测误差分别在±5%和±15%以内,满足工程计算需求。该模型的构建有助于精准预测油气和可燃冰钻采井筒内水合物风险,为建立经济、高效的井筒水合物防治方案奠定理论基础。     

水合物在静态脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠溶液与纯水搅拌条件下生成分析

促进天然气水合物快速大量生成是天然气水合物技术产业化的关键,因此,对其动力学促进方法进行研究是十分必要的。本文在温度为(2±0.1)℃,压力为(6.6±0.1)MPa条件下研究了不同浓度(60~1350mg/L)脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)以及不同搅拌转速0~800r/min对水合物生成的影响,对两种方式的促进效果进行了对比,并从水合物生成动力学角度对AES及搅拌的促进机理进行分析。实验结果表明:AES与搅拌都可以促进液相气过饱和,加速单核生长和多核聚结过程,显著缩短诱导期,提高水合物生成速率及气体消耗量,但不同的是在水合物生长阶段搅拌仅能促进气相向液相单向移动,AES能够使气液交叉移动,显著降低了气液传质阻力,增加了成核位置,因此AES比搅拌进一步提高了水合物生成速率及气体消耗量。     

油包水乳状液体系中水合物生长行为研究进展

油包水乳状液中水合物生长行为的差异会影响水合物的生长速率和生成量，为多相管道的安全运行和流动保障策略的制定带来挑战。本文结合国内外关于油包水乳状液中水合物生成行为的实验及理论研究成果，系统阐述了水合物生成实验研究方法及水合物生长过程常用量化指标，总结了油水体系中油相组成、含水率等因素对水合物生长行为的影响规律，分析了油包水乳状液中水合物的生长机理和量化模型的研究进展。文章指出，油包水乳状液中水合物生成方法和量化指标已较为完善，对影响因素和生长机理的认识正日趋深入。未来应进一步探明多组分复杂体系下的水合物生长动力学行为，并从微观角度深入对油水体系中水合物壳体结构及生长机理的理解，最终建立适用于实际多相管道的水合物生长速率模型。     

非平衡级法气体混合物吸收-水合双塔分离单元的模拟计算

水合物技术应用于低沸点气体混合物分离的优势在于其可在0℃左右操作,因此可极大地降低制冷所消耗的能量。由于此分离方法尚处在理论研究阶段,还不能实现工业化,因此对操作流程模拟计算的研究很有必要。采用非平衡级法(速率法)对水合塔-吸收塔串联操作流程进行了模拟计算,其中涉及水合物生成动力学模型、水合物分解动力学模型以及混合气体在乳液相的吸收传质动力学模型。探讨了两个串联分离塔操作参数,如温度、压力等,对分离效率的影响,所得结果对水合物技术分离低沸点气体混合物流程的设计有重要意义,同时也可为以后的工业化奠定一定的理论基础。     

气水体系甲烷水合物生成和分解动力学

为进一步探明搅拌对甲烷水合物生成和分解动力学特性的影响,借助容积约为522mL,最高操作压力21MPa的高压全透明反应釜装置,开展了不同搅拌条件下甲烷水合物的生成、分解和浆液流动实验,得到了搅拌对水合物生成量、生长速率和分解速率的影响规律,基于搅拌电机扭矩值分析了不同搅拌速率下水合物浆液的流动特性。搅拌电机型号ViscoPakt Rheo-57,带有扭矩测量功能,测量最大范围57N·cm,精度±0.04N·cm。结果表明：在水合物开始快速生成的前期,水合物的最大生成量、最大生长速率及平稳生长速率都随搅拌速率的增大而增大,进一步验证了传质是控制水合物生成过程的首要因素;在水合物分解阶段,搅拌能提高水合物颗粒的分散性,促进分解气的运移产出;此外,不同搅拌速率下,水合物浆液的电机扭矩随着水合物体积分数的增大都呈现先保持平稳再逐渐增大最后剧烈波动的规律,由此得到了水合物浆液携带固相颗粒的临界体积分数。研究结论在一定程度上揭示了水合物的生长和分解机理,为动力学预测模型研究提供了参考。     

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。     

量热法多孔沉积物内CH4水合物生成过程中的放热行为

掌握天然气水合物在多孔沉积物生成过程中的放热规律对于天然气水合物的资源开发和了解水合物的成藏规律都具有重要意义。本研究通过高压微量热仪考察了石英砂粒径、初始含水率、温度及含盐条件对CH₄水合物在多孔沉积物内生成过程中放热行为的影响。实验结果表明,随着石英砂粒径的减小,水合物生成的放热速率随之增加。随着初始含水率的降低,水合物的放热峰明显增大,但在实验考察时间内,最终的累积放热量和含水率并没有呈现出明显的相关性。当温度在263.15K时,CH₄水合物生成过程中不存在明显的放热。对于在3.35% NaCl盐溶液体系中进行的甲烷水合物生长放热实验,发现其放热规律与在纯水体系下的放热规律具有较高的一致性,但其总体放热速率和累积放热量较纯水体系更低。实验结果呈现了良好的规律性,对进一步开发量热仪在水合物生成动力学方面的应用具有一定的参考价值。     

含砂搅拌体系甲烷水合物生成与分解实验研究

利用高压反应釜装置,在不同初始压力、砂粒粒径等条件下进行甲烷水合物的生成与分解实验,研究细质砂粒固相颗粒对甲烷水合物成核诱导时间、生成和分解等的影响规律。结果表明:砂粒能够促进甲烷水合物生长,体系初始压力越高,水合物生成速率越高;体系初始压力为7.2 MPa、砂粒粒径为2 000目(6.5μm)时,水合物生成过程最稳定,且水合物生成量最多;在分解过程中,纯水体系和含砂体系的分解速率相当,只存在气体释放量的差异。进而得出结论:砂粒固体颗粒的存在会促进水合物生成,所以在水合物开采过程中,若工况满足水合物生成条件,水合物二次生成会更易发生,使得矿藏砂粒、水合物、天然气、海水在管道内的多相混输堵塞风险增加;含砂条件对水合物分解的影响作用不大,矿砂在水合物分解过程中对流动安全的影响有待深入研究。该研究成果为解决深水浅层水合物开采过程中的流动安全保障问题,提供了重要的理论基础和技术支撑。     

螺旋状中空纤维膜萃取传质特性

在对中空纤维膜萃取以及螺旋管技术进行充分调研的基础上 ,选择水 -苯酚 - 30 %TBP煤油为实验体系 ,溶质由水相萃取到有机相 ,在不同结构的单束螺旋状中空纤维膜器中研究了螺旋管纤维膜管内外流速以及螺旋管结构等因素对传质系数的影响 .实验结果表明 ,螺旋管中空纤维膜可以有效地提高中空纤维膜的传质特性 .随着管内流速的增加 ,传质系数将有很大提高 ,而管外流速对于传质系数的影响则较小 .至于螺旋结构的影响为 :随着螺旋内径的减小或者是螺旋螺距的减小 ,总传质系数相应地有很大提高 .最后得到了在本实验条件下计算总传质系数K的关联式     

天然气水合物形成与生长影响因素综述

天然气水合物(NGH)是水分子和天然气分子形成的一种复杂的笼型晶体,其在油气管道输送、天然气储存和制冷等行业中都具有重要的研究意义和利用价值,但天然气水合物的形成是一个多组分、多阶段的复杂过程,不同因素对于天然气水合物形成和生长的影响尚有待明确。本文介绍了天然气水合物形成的物理过程以及水合物成核的3种机理假说;详细梳理了基质两亲性、添加剂、多孔介质环境和杂质、液体组成、温度压力以及流动条件等因素对于天然气水合物形成和生长的影响,并对其作了简要分析。同时指出,原油组成对于水合物抑制效果的定量化、蜡晶结构对于水合物形成过程中传质和传热的影响以及微观化的动力学抑制剂抑制机理等都是水合物相关研究中需要进一步深入探究和明确的问题。     

海底沉积物层CO2封存中水合物研究进展

海底沉积物层内CO2封存被认为是缓解全球气候变暖的有效途径,本文介绍了CO2封存时水合物自封机理、水合物形成条件和水合物稳定带范围,描述了水合物生成动力学研究现状,包括成核动力学、生长动力学以及水合物结晶过程驱动力,水合物的成核模型有成簇成核模型、成簇成核扩展模型、界面成核模型、Chen-Guo模型,水合物生长动力学模型有Englezos、Kvamme生长模型、指数增长模型、流体流动模型以及LB模型,水合驱动力有化学势差、温差、吉布斯自由能差、浓度差、压差或逸度差。总结了多孔介质渗透率和孔隙度随水合物成核和生长的演化关系,有KC模型、NR模型、平行毛细管束模型、渗透率下降模型和Morisdis相对渗透率模型,最后介绍了CO2水合实验情况,展望了CO2海底沉积物层内封存与水合物相关的科学问题。